随动系统故障检测设备的研究doc

1、 密 级 无 分类号 工程硕士学位论文随动系统故障检测设备的研究指导教师指导教师 20152015 年年 4 月月 2424 日日申请学位级别申请学位级别 工程硕士工程硕士 工程领域工程领域 电子与通信工程 随动系统故障检测设备的研究随动系统故障检测设备的研究工程领域：工程领域：电子与通信工程研究生签字：研究生签字：学校导师签字学校导师签字：企业导师签字企业导师签字：摘 要随着高新科技在各个领域的广泛应用，随动系统沿着智能化和信息化的发展已经成为了一种趋势。为了保证随动系统高效稳定的运行，对其进行故障检测和维护是十分必要。在传统故障检测设备的基础之上，研制随动系统故障检测设备具有现实意义和较好

2、的市场前景。本文设计了一种能够独立进行随动系统故障检测的设备。该设备具有良好的人机交互界面和完整的数据分析处理能力，完成了对随动系统的故障检测任务。该检测设备是基于 PC104 嵌入式总线的随动系统故障检测系统，详细的介绍了该主板的各种特点。针对于被检测信号的特点，分别选取了数字量采集卡和模拟量采集卡来完成数据的采集系统。为了防止该检测设备对随动系统的破坏，对数字量信号采用了光电隔离，模拟量信号电容耦合隔离的设计。应用软件采用了模块化设计的原则，实现了对受信仪模块、方位机模块和高低机模块的检测，以及对数据的处理。目前，该检测系统已经完成了系统的总体设计、硬件设计和软件设计，进行了试验。结果表明

3、，该系统可以快速、精准地检测出随动系统的故障点，满足了设计要求。关键词：关键词： 随动系统；故障检测；PC104 嵌入式总线；信号采集卡；模块化Research of Servo System Fault Detection EquipmentDiscipline: Student Signature: Supervisor Signature:AbstractWith the wide application of high technology in various fields, along with the dynamic intelligence and information sy

4、stems development has become a trend. Servo system in order to ensure stable and efficient operation of their fault detection and maintenance is essential. On the basis of the traditional fault detection equipment on the developed servo system fault detection devices have practical significance and

5、good market prospects.This paper presents a capable independent servo system fault detection devices. The device has a good interactive interface and complete data analysis and processing capabilities, completed the servo system fault detection tasks. The detection device is based on PC104 bus embed

6、ded servo system fault detection system, a detailed description of the various features of the motherboard. Features specific to the detected signals were selected digital and analog capture card capture card to complete the data acquisition system. In order to prevent the destruction of the testing

7、 equipment to follow the system of digital signals using optical isolation, the analog signal using capacitive coupling isolation design. Application software uses a modular design principle, the realization of a fiduciary instrument detection module, azimuth and elevation machine module machine mod

8、ules, and data processing.Currently, the detection system has completed the overall design, hardware design and software design of the system was tested. The results show that the system can quickly and accurately detect the servo system of points of failure to meet the design requirements.Key Words

9、: Servo system; Fault detection; PC104 embedded bus. Signal acquisition card; modular i目 录1 绪 论.11.1 课题研究背景 .11.2 随动系统故障检测设备的研究现状 .11.3 课题研究的意义 .21.4 课题研究的内容 .31.5 章节安排 .32 随动系统故障分析.42.1 故障诊断的意义 .42.1.1 故障的定义.42.1.2 设备故障的分类.42.1.3 故障检测的内容和方法.52.1.4 故障检测的意义.72.2 随动系统故障检测的内容 .92.3 随动系统故障分析与判断 .93 随动系统

10、故障检测设备的总体设计.103.1 故障检测设备的主要功能 .103.2 故障检测设备的性能指标 .103.3 故障检测设备的结构设计 .113.3.1 本文的设计方案.113.3.2 该故障检测设备的结构和组成.123.4 本章小结 .134 硬件设计.144.1 基于 PC104 的嵌入式中心控制模块 .144.2 数字量数据采集卡和数字量信号调理板 .154.2.1 采集卡.164.2.2 数字量信号调离板.174.3 模拟量数据采集卡和模拟量信号隔离板 .194.3.1 采集卡.194.3.2 模拟量信号隔离板.204.4 本章小结 .215 软件设计.225.1 应用软件的功能分析和

11、总体设计 .225.1.1 软件的需求分析.22ii5.1.2 软件的设计原则.225.1.3 软件的总体设计.245.2 检测系统的受信仪模块 .245.2.1 受信仪模块的功能分析.245.2.2 受信仪模块的软件设计.255.3 检测系统的方位机模块 .265.3.1 方位机检测模块的功能分析.265.3.2 方位机检测模块的软件设计.275.4 检测系统的高低机模块 .295.5 检测数据的处理 .315.5.1 数据的存储.315.5.2 数据的删除.315.5.3 数据的查询.325.5.4 数据的导出.335.6 本章小结 .346 实验结果分析.356.1 硬件系统的展示 .3

12、56.2 应用软件 .356.3 本章小结 .387 结 论.39参考文献.401 绪论11 绪 论1.1 课题研究背景随着科学技术的飞速发展，高新技术在随动系统中得到了广泛的应用。现在的随动系统规模越来越大，结构也日趋复杂化，为了保证设备安全可靠的运转，需要提高现有的随动系统故障检测设备的性能。例如: 随动子系统在进入系统总装配前必须测试随动系统的方位运动能力和俯仰运动能力。在不同的运动速度、加速度下进行规范运动时的等速跟踪精度，还必须检测随动系统在各个方位、高低位置时的动态品质，同时随动故障检测系统要能够诊断设备中的故障，完成对随动系统的可靠性和可维护性的检测，为随动系统故障检测提供科学的

13、依据和合理的试验手段。本文研究课题来源于某武器系统综合测试与评估系统的随动系统故障检测部分。为了适应多种随动系统检测的实际需求,委托我校研制了随动系统故障检测系统。主要用于对随动系统进行故障的检测，当出现故障时进行及时的检修确保设备安全稳定的运行。随动系统是一个闭环反馈控制系统，具有很好的跟随性能。在这种系统中，输出量是机械位移、速度或者加速度，控制系统的任务是在各种情况下保证输出以一定的精度跟随者参考输入的变化而变化1。快速跟踪和准确定位是随动系统的两大重要技术指标。在日常的生活和生产当中，随动系统扮演了一个重要角色，广泛以用于工业、农业和军事系统中。随着随动系统结构和功能的复杂化日益提高，

14、单纯的依靠人工和简单的检测工具对随动系统进行检测，已经不能达到要求了。因此，更加智能的随动系统故障检测设备有待研究，才能满足生活和生产的需求。1.2 随动系统故障检测设备的研究现状最初,釆用人工测试这种效率低误差大的方法来测试随动系统的故障源。测试的主要方法是用万用表检测随动系统的线路，结合以往的先验知识推断故障点和故障的原因。这种检测手段的缺点：（1）用于检测的设备过于简陋，没有很好的技术手段;（2）对故障现象看的不清晰，需要长时间的检测才能找出发生故障的部位；（3）维修人员需要长时间的经验积累才能拥有很高的故障诊断技能；（4）若复杂的故障出现时，则不易被诊断出来2：（5）不能对随动系统做出

15、科学的诊断。因此传统的故障诊断不仅检测设备简陋、检测技术手段低下、检测方法繁杂而且检测结果还很容易受诸多等外界因素的影响。如今国内对故障检测的检测设备已经有了很大程度的提高，主要是利用采集来的数据与随动系统正常工作时候的数据进行分析比对，确定故障源找出故障的原因。随动系统故障的诊断,主要是将采集的信号传输给中央处理器，对信号进行分析比对判断出现故障的部位，找出故障原因。在这个检测过程当中，所依据的理论知识和采取西安工业大学工程硕士学位论文2的技术手段多种多样。在国外的随动系统故障检测过程中，主要是利用应用软件设计虚拟仪器来完成检测。故障检测系统可以从我们所采用的检测系统的处理器和所需要检测的信

16、号类型上进行分类。处理器的类型分为 DSP 系统、工控机等；需要检测的信号有模拟量和数字量3。这些处理器被设计成了用于工业、农业、军事等领域的特殊设备。在极端的工作环境下也可以正常的进行工作，而且其系统的功能模块容易扩展，可以满足复杂的产品设计，性能也更加稳定安全可靠，因此得到了广泛的应用。例如:利用 PC104 工控机研制的高射炮的随动系统检测设备。随着数字化技术的不断发展，DSP 应运而生。作为数字化时代的产物，DSP 是一种通用信号处理器,并且功能非常独特。在对信息处理的时候，DSP采用的是数字信号，对数字处理个功能非常强大。其优势在于对数字处理的能力和速度比普通的处理器要强大很多。随动

17、系统故障检测设备从总线来看有，PXI 总线、ISA 总线、PCI 总线、PC104 总线、CAN 总线、GPIP 总线、以太网等。依据总线技术，设计的随动系统故障检测设备具有较高的互换性能和高效的数据传输特性而且安全系数较高，满足了设计的需求，因此总线技术被广泛用于随动系统的故障检测设备中。随动系统故障检测设备所采用的操作系统有很多，其中 iRMX 操作系统被广泛应用于信号传输的开发领域，可以对多个传输信号进行实时的处理；Linux 操作系统的源代码是共享的，内部逻辑结构清晰可见，使用者可以很灵活的对系统进行裁剪化的操作，具有强大的数据库支持能力，完善丰富的内网可以随意访问，而且其的安全性能很

18、高；Window 系列的操作系统是目前被广泛使于我们的生活和生产中的操作系统，该操作系统直观易懂，是一种多任务的操作系统，对计算机的硬件要求稍高。1.3 课题研究的意义传统随动系统故障检测方法落后且检测设备简陋陈旧，在诊断过程中, 人们只能借助仪器仪表的显示大概了解随动系统是否存在故障，记录和处理检测结果。当随动系统出现工作异常时,借助单一的仪器仪表很难检测出该系统的故障点。因此,研制新型的故障诊断设备,以改进诊断方法和维修手段,对提高维修人员的技术水平,保障随动系统正常工作是非常必要的。新型的随动系统故障检测设备，可以使维修人员从繁琐的体力劳动和脑力劳动中解放出来，提高了生产力水平可以创造很

19、高的经济价值。针对上述情况,本文对随动系统故障诊断设备进行了研究。确保我们对所需要采集信号高效高速的处理，满足检测设备高精度的要求。为了满足各种检测环境的需要，该设备要小巧便于携带。设计该产品的主要意义在于满足检测需求，降低生产成本，确保随动系统可靠安全的工作，使故障检测朝着智能化的方向发展。1 绪论31.4 课题研究的内容根据以上分析,本文结合国内外对随动系统故障检测设备的研制特点,运用智能控制理论,完成了该检测设备的研究。本课题的研究内容包括以下几个方面：(1)进行了随动系统的故障分析, 学习与故障检测相关的知识,掌握故障检测的各种方法。(2)随动系统故障检测设备的总体结构设计，依据其功能

20、和性能指标，给出了该故障检测设备的总体硬件设计方案。(3)硬件电路的设计，主要包括了信号隔离板、数据采集单元、控制中心和显示单元。(4)软件的设计主要包括主程序的编写、检测界面的设计及功能模块的实现。随动系统故障检测设备的功能主要有:对随动系统的受信仪模块的检测;对随动系统的高低机和方位机的故障检测。1.5 章节安排第一章绪论。介绍了随动系统的功能，由随动系统故障检测设备的研究现状，简要说明了本课题的研究意义以及研究内容，并对论文的结构进行了介绍。第二章随动系统的故障分析。介绍了故障的定义和分类，并对故障检测的内容和方法进行了详细的分析，给出了随动系统故障检测主要方法和意义。第三章性随动系统故

21、障检测设备的总体设计。本章简要介绍了该故障检测设备的主要功能和性能指标，确定了故障检测设备的总体结构。第四章硬件设计。本章介绍了基于 PC104 的嵌入式中心控制模块，以及数字量采集卡和模拟量采集卡的选取，并对数字信号调离板和模拟信号隔离板进行了设计。第五章本章软件设计。通过对应用软件进行功能分析，确定了软件总体的设计流程。最后详细阐述了受信仪模块、方位机模块和高低机模块的设计与实现，以及对数据的处理。第六章结果分析。本章介绍随动系统故障检测设备的实验结果。西安工业大学工程硕士学位论文42 随动系统故障分析2.1 故障诊断的意义2.1.1 故障的定义故障的定义所谓故障,是指设备在工作过程中，因

22、某种原因“丧失规定功能”或危害安全的现象。与故障同意义的有“失效”。失效是针对不可修复的对象而言;故障是针对可修复的对象而言。一个系统是故障的,就是说该系统在规定的条件之下,不能完成其应该完成的功能,或者在规定的条件之下,其中一个或若干个性能参数不能达到规定的指标,或者系统中的元部件发生损坏4。2.1.2 设备故障的分类设备故障的分类日常生活和生产过程中，我们所使用的设备种类繁多，所以其发生的故障也是各不相同的，因此我们需要对故障的种类进行详细的划分和进一步的研究，故障的分类有一下几种： 一、按故障存在的程度分类 1、暂时性故障：这类故障带有间断性，是在一定条件下，设备的工作参数不能保持在允许

23、的范围内的故障，这类故障不影响设备的运转，但是影响设备精准度，我们可以通过调整系统的参数或者运行参数，使系统恢复正常功能。 。2、永久性故障：这类故障往往是由个别零部件损坏而造成的，如内燃机不能发动，油泵不能供油，必须经过更换或修复后才能消除故障。 二、按故障发生的速度分类 1、突发性故障：由于外界环境的不可预测性，突然对设备产生了影响，这种影响超出了设备的承受能力而造成的故障 。在设备运行中出现这类故障前无明显征兆，依靠事前的检查或监视不能预测故障的发生。这类故障发生时间很短暂，一般带有破坏性，如使用技巧不当或者超负荷使用而引起的零部件损坏，人员误操作引起设备的损毁而造成的故障。2、渐发性故

24、障：由于各种不利影响因素的影响使设备的初始参数发生了衰减而引起的故障。设备在使用过程中某些零部件的使用性能逐渐下降，由于这个原因引起的故障。这类故障占有相当大的比重，在故障发生前有明显的预兆，具有一定的规律性，可以通过预先的检测或监视早期发现，可以采取一些预防措施。突发性故障和渐发性故障有着明显的区别，但是在某些条件下，两个是可以相互转化的。因此，在日常的生活和生产中，我们应该注意到这点。三、按故障严重程度分类 2 随动系统故障分析51、破坏性故障：它既是突发性又是永久性的，该类故障发生后果十分严重往往危及设备和人的生命财产安全。 2、非破坏性故障：它是渐发性的又是局部性的，该类故障发生后果一

25、般不危害人身财产安全5。 四、按故障发生的原因分类 1、外因故障：在设备的设计过程当中，由于设计不周，制造设备的材料质量不合格，操作不当等造成的故障。2、内因故障：设备在正常使用条件的运行过程中，因设计参数的衰减或生产操作不当造成的故障。 如零件的某些正常磨损、腐蚀和老化等等都是潜在的因素。 五、按故障相关性分类 1、相关故障：也可称间接故障。该类故障是由设备的其他相关部件的损坏而产生的故障。这类故障在设备的运行中时常发生，因此要给予高度重视。2、非相关故障：这类故障是由于设备本身的零部件发生损坏而引起的，我们在故障检测时，首先要检测的就是这类故障。 六、按故障发生的事情分类 1、早期故障：该

26、故障是因为生产设备的材料没有达到相应的性能指标，在设备运行的过程当中就会发生故障。这种故障我们要在选取加工设备的材料时高度重视。2、试用期故障：当设备在正常的生命周期内进行工作运转，由于许多外因和内因而产生的故障，这些故障一般无法预知。设备处于工作状态时，故障率基本保持在一个稳定的区间范围。 3、后期故障：当设备投入到使用当中以后，由于外界因素或者设备自身的原因，例如老化，磨损等造成了设备的使用功能下降了，从而引发了故障。在设备的使用后期，这类故障的发生频率较高，应当引起足够的重视。2.1.3 故障检测的内容和方法故障检测的内容和方法故障检测的主要内容有：故障类型的判断、故障点的诊断、故障的修

27、理、故障的统计等。故障类型的判断是指设备发生故障之后，我们要通过分析比对确定故障的原因，判断出故障的类型。当设备发生故障以后，我们要通过检测系统采集被测点的信号进行分析，确定故障的主要部位和发生该故障的原因。故障的修理是为了保证设备在生产过程中能正常运转，要对故障采取修理措施。故障的统计是为了维修人员后期对设备的性能进评估和修理提供依据9。19 世纪末到 20 世纪初期，是故障诊断的原始萌芽阶段，各个领域的专家学者依靠感官获取设备运转时的状态信息，与设备正常工作时候的状态信息进行比较分析，依据经验判断故障。这种方法简单，适用于简单设备的故障检测。20 世纪初期到 1960 年代，由于可靠度理论

28、的发展应用，基于材料寿命分析的诊断开始应用于故障检测。西安工业大学工程硕士学位论文6开始于 1960 年代中期，由于传感器技术在科研领域的发展，基于传感器与电脑技术的故障诊断开始发展起来。人工智能技术高速发展，在故障检测领域应用最为广泛的就是专家系统。这项技术把知识处理和知识推理作为核心，取代了以数值计算和信号处理为核心的检测过程。该项诊断技术取得了阶段性的成果，已经有一些成功的案例。在当今社会中，设备的智能检测技术成为了诊断技术的领头羊，引领了该领域高速的发展。随着科学技术的迅猛发展，生活生产中的设备也是趋于集成化和复杂化了。新的故障诊断技术，为提高设备的稳定性和安全性提供了保证，满足了实际

29、的生产需求和科学研究。近些年来，随着计算机技术、信号处理、人工智能、模式识别技术的高速发展,使得设备的故障检测技术迅猛提高，为复杂高端的大型设备提供了维修保证。从不同的方向来说，故障检测技术各不相同，功能也千差万别。大致可以分为两大类：一类是基于数学模型的故障检测方法，一类是基于人工智能的故障检测方法。基于数学模型的方法包括：基于输入与输出信号处理的方法，基于状态估计的方法，基于过程参数估算的方法6。1、基于输入与输出信号的处理方法利用对特征信号的提取和检测进行设备的故障检测，采用的方法多种多样，最常用的有谱分析方法、时间序列特征提取方法、自适应信号处理方法等。这种方法与控制系统联系紧密，是我

30、们进行实时显示和实时监控的前提，为故障诊断提供了理论依据。(1)基于小波变换的检测方法。小波变换的故障诊断技术是在时间域和频率域对检测信号进行分析的一种方法，广泛应用于故障检测中。小波变换的优点是对噪声不敏感，可以对不同的时间和范围的信号进行处理，在故障检测当中就是利用了其信号处理的优势。(2)基于输出信号处理的检测方法。设备系统的输出信号与设备的故障存在着密切的关系，这些信号当设备发生故障时会发生改变，我们可以利用设备出现故障时的信号与正常运转时的信号进行比对分析，及时准确的对设备进行检测，找出故障点和故障的原因。通常所采用的方法包括谱分析法、概率密度法、相关分析法及互功率谱分析法等7。(3

31、)基于信息融合的诊断方法。信息融合是多源信息综合处理的一项新技术,为完成决策和任务利用计算机技术对观测信息加以分析和处理的过程。对于复杂系统出现的故障诊断中主要是对信号噪声和检测的可信度提供理论依据。信息融合技术在检测设备的应用中具有重大的意义。2、基于状态估计的方法状态估计法也称作滤波器法，根据可获取的量测数据估算动态系统内部状态的方法。系统的输入和输出量反应了设备的外部特征，其内部特征需要对系统的状态进行估计。设计的基本思想是，利用系统的被测信号与正常工作的信号进行检测分析比对。基于状2 随动系统故障分析7态估计的方法算法简单、相应速度较快、相对容易获得较强的鲁棒性，一直是研究的热点。3、

32、基于过程参数估算的方法当设备的故障是由参数的变化来描述时，我们就利用参数变化时的值与系统正常工作时参数值进行分析比较，来检测设备的故障。首先要建立被检测设备的输入和输出参数与过程参数的关系，确定系统是否发生故障，当系统出现故障时，我们要进行故障的分析诊断。基于人工智能的故障检测方法包括：基于专家系统的方法，基于模糊数学的方法，基于故障树的方法，基于神经网络的方法。1、基于专家系统的方法基于专家系统的故障检测方法是将人类在故障检测领域里的多位专家提供的理论、经验、推理、技能等综合起来的大型故障检测系统。该检测系统是目前检测领域里使用最为广泛的智能检测技术。它的发展大致经历了两个阶段：基于浅知识的

33、故障检测系统和基于深知识的故障检测系统。(1)浅知识是指领域专家的经验知识，这类知识带有启发性。基于浅知识的故障检测系统是通过推理得出检测结果，最终组成一个故障集合，是指对产生的故障做出诊断。基于浅知识的故障检测方法具有模块性、易于信息的处理、有利于启发性的知识、易于推理的特点。其局限性表现在诸如知识储备不够完善，诊断结果不够齐全等缺点。(2)深知识则是指有关检测对象的系统功能和结构的知识，可以用框架加以表示。基于深知识的故障检测系统要求结构框架和功能框架表示组成部件的子系统之间的联系以及它们和该部件的输入输出关系。根据这种关系得出检测的故障点，这种故障检测的方法具有获取知识方便、维护简单、完

34、备性强等优点，但是缺点是对故障点的搜索空间大，推理速度慢11。2、基于模糊数学的方法所谓基于大量模糊的数学基础的方法,能够对看起来相当复杂的模糊系统进行定量的描述和处理，及时的诊断出出现故障的最小单元。这种检测方法不依赖于先验知识，只要对残差信号进行分析比对，即可找出故障点。其优势包括直接利用系统模型无需自己建模；在系统运行时，可以检测出首次出现的故障；可以对整个系统做出检测，也可以对系统的各个单元进行检测。3、基于故障树的方法。这种故障检测方法主要依据的是故障的因果关系和故障的层次，构成故障树确定故障成因的方法。这种检测方法对故障进行了定性和定量的分析，找出出现故障的故障源，使我们清楚了故障

35、的成因和故障出现的概率。4、基于神经网络的方法这种故障检测的方法是不需要对先验知识进行吸收和消化的，只需要用领域专家解西安工业大学工程硕士学位论文8决问题的实例或者范例来训练神经网络；神经网络将一个问题的若干知识集中在同一网络中，这样使得该方法的通用性得到了很大提高，也有利于知识的自动获取和后期的推理工作。当今世界很多领域已经使用基于神经网络的故障检测设备了，并且取得了较好的效果。2.1.4 故障检测的意义故障检测的意义随着社会的发展和科学技术的进步，各种设备的结构越来越复杂，其功能也越来越强大，自动化水平也越来越高。造成设备出现各种各样故障，以致丧失功能引发灾难性事故的诸多因素是无法避免的。

36、国内外曾经发生各种各样的空难、海难、爆炸、倒塌、毁坏、泄露等恶性事故，造成了大量的人员伤亡，产生了严重的社会影响；在我们的日常生活中所发生的生产事故，也是因为机械设备损坏而造成了巨大的经济损失。这些灾难性的事故，造成了巨大的经济损失和人员伤亡以及环境的严重污染，引起了人们的广泛关注。例如美国三里岛核电站和日本核武器反应堆的泄露曾引起对核电站安全性的争议，对核能的发展产生了巨大的影响等12。还有其他许多事故也是非常严重的，都造成了巨大的经济损失。因此确保设备安全稳定的运行，及时发现故障解决问题，消除隐患，是非常有必要的。 现代设备运行的安全性与可靠性取决于两个方面，一是设备设计与制造的各项技术指

37、标的实现，为此设计中要采用可靠性设计方法，要有提高安全性的措施8；二是设备安装维护和故障的检测。目前，故障检测技术已经成为了保证设备安全可靠运行的重要方法和手段。对设备进行故障检测是为了减少和预防故障的发生，当出现故障时可以及时的进行检修；在保证设备的正常运转的情况下，可以延长设备的使用年限，节约生产成本；通过对设备的检测，我们可以对故障进行合理的分析研究，改进设备的结构等。 在设备生产的等各个阶段都可能产生一些缺陷。世界各国的研究表明，利用智能检测设备，可使我们准确的把握设备的运行情况，从而为设备维护提供可靠依据。经济分析得出的结论是，设备的故障检测可以极大的降低设备的后期维护成本。综上所述

38、，设备故障检测的重大意义主要体现在以下几个方面：一、降低设备制造、安装、运行等各个阶段中的设备故障机率，提高设备的安全性。 通过设备检测可预见性维护，降低由于设备故障造成的安全隐患。 二、准确的把握设备的运行情况，从而为设备维护提供可靠依据，极大的降低维护成本。目前，我们对设备维护的主要采用主要手段是日常维护、定期维修。这种传统的方式具有很大的盲目性，对设备的运行情况、故障类型、故障部位很难准确把握、另外，设备的频繁拆卸检修，往往会影响设备性能，同时带来巨大的人力物力浪费。三、设备检测不仅对保证设备安全十分重要，从长远来看，其经济效益也是非常可观的。随着检测技术的飞速发展， ，检测技术含量越来

39、越高，检测效率和可靠性也有明显改进，它们为保证设备的安全稳定运行发挥了重大作用。从而保证设备的性能、延长设2 随动系统故障分析9备使用寿命、提高产出效率。目前，我们对设备的维护主要采用日常维护、定期维修。这种传统的方式具有很大的盲目性，对设备的运行情况、故障类型、故障部位很难准确把握、另外，设备的频繁拆卸检修，往往会影响设备性能，同时带来巨大的人力物力浪费。总体来说,设备故障的检测不但要确保设备运行时的安全性，更要节省人力物力获取更大的经济效益。生产单位提供的故障检测设备可以延长设备的使用寿命，使设备正常运转创造更多的价值。各行各业每年花费在故障处理的费用其数额巨大，而且需要有大量的检修人员参

40、与其中，因此提高和改善设备的故障检测方法，确保设备的安全可靠运行以获取更大的经济效益和社会效益其意义是十分明显的。 2.2 随动系统故障检测的内容故障检测其实质就是要了解设备正常运行时的各个系统参数，预测设备的稳定性，早期发现设备的故障点，并对故障进行检测和维修。具体地说包括:(1)当故障发生时，我们要根据装备的性质选取一些参数作为特征信号，例如电压、电阻、电流、相位、转速、逻辑控制关系等。(2)这些特征信号不直观，往往杂乱无章，因此需要对采集的信号进行合理的变换处理，得到直观的有效信息13。(3)对信号进行合理的采集后还要选取合理的检测方法。(4)依据我们所获取的设备故障检测的各种知识和经验

41、，判断是否出现故障，当出现故障时，要检测出故障源和故障点，如果没有出现故障，则对设备继续进行追踪检测。(5)根据设备出现的故障,调整其运行参数，提高其工艺水平，然后给出具体的维修方法和措施。2.3 随动系统故障分析与判断该随动系统故障检测设备的研究，要求能够独立进行随动系统的故障检测，其检测过程包括随动系统的电源、工作状态、离合器控制、射角限制、连锁及手动、驱动器控制等，并将检测结果显示出来，对检测的数据要存入数据库，便于历史备查。每一次检测都要将检测信号与故障库中的故障源信号进行查询比较。当多个故障源引起了同一个故障时，我们要依据出现故障的概率列举出可能出现故障的位置14,以确保此次故障检测

42、的全面性和可靠性。确定性故障的故障原因和故障点比较明确，但是模糊性故障由于故障点不明确能以判断。根据随动系统运转时可能出现的故障,采用了以下判断方法:通过测量电压电压，自整角机信号来判断自整角机和各个部分的供电情况；通过检测各个系统的工作指示状态来检测随动系统的各个工作模块。每一个检测过程都要讲检测信号与故障源信号进行比对分析。确定故障点便于维修人员对设备的维护，以保障设备安全稳定的运行。 西安工业大学工程硕士学位论文103 随动系统故障检测设备的总体设计随动系统故障检测设备的设计思想是采用硬件的嵌入式技术和软件的模块化结构,研制一款既能诊断数字式又能诊断模拟式随动系统的便携式一体化故障检测设

43、备。该设备将信号采集、调理、调试、检测及存入数据库、人机交互等功能集成为一个随动系统的故障检测设备。这种设备使用方便、性价比高,主要供维修人员对随动系统进行故障检测和维护使用，拥有很高的使用价值。本章首先确定了随动系统故障检测设备的主要功能和性能指标,然后分析整个随动系统的工作原理，设计了该设备的总体结构。3.1 故障检测设备的主要功能随动系统故障检测设备能够独立的进行随动系统故障的诊断便携设备，应该具备以后功能：(1)该故障诊断设备能够高效采集需要被检测的信号。这些信号包括数字量信号和模拟量信号。数字量信号要注意脉冲的延时；模拟量信号要注意提高精度和减小误差15。只有对被检测信号精确的采集才

44、能进行故障的诊断，及时检测出随动系统的故障并对故障进行排除，才能保证随动系统正常运转。(2)被检测信号进入诊断设备前要进行隔离，保证诊断设备不影响随动系统的正常工作。随动系统需要检测的信号也不影响故障诊断设备的工作状况。即随动系统和故障诊断设备是相互独立、互不干扰的。(3)该诊断设备具有良好的人机交互界面和系统软件的可移植性。通过键盘、鼠标和触摸屏可进行故障诊断设备的控制以及被检测信号参数值的设定。并能准确的将被测随动系统的高低、方位和电压信号,与故障源信号进行比对和分析，显示该随动系统的故障点并将电压值的曲线实时显示在 LCD 上，当被测信号出现故障时，可以进行报警。同时,该设备具有实时数据

45、存储、浏览、显示和打印功能，以便历史备查。(4)故障诊断设备的硬件平台要具有高效性和兼容性。针对不同的被测信号,可以更换或者扩展某些相应的板卡,不需要更改整个硬件平台。(5)要综合考虑多方面的因素,被测信号的诊断功能要全面,使该故障诊断设备具有较高的实用性，保障随动系统的正常工作。3.2 故障检测设备的性能指标 为了保证随动系统的正常工作，进行随动系统故障诊断时，通常需要测试信号的以下指标：(1)随动系统正常工作时，其精电源、稳定电源、功率电源、操纵台电源的电压值等。3 随动系统故障检测设备的总体设计11(2)工作状态指示、离合器控制、连锁及手动、驱动器控制等。(3)方位角和高低角的精、粗以及

46、精粗组合。这些性能指标能够比较综合全面的反应随动系统在正常工作时的各项性能。随动系统故障诊断设备在测试该随动系统时，需要检测的信号包括：模拟量信号、数字量信号。参考其他类似装置，确定了本故障诊断设备的基本性能指标：(1)模拟量的检测包括操纵指令信号，控制指令信号，高低方位驱动指令和电源信号。这些信号的电压值范围是 10V 到 20V 之间。(2)数字量的检测是对开关量信号进行检测。这些信号是数字信号。采用逻辑电平的形式,24V 表示高电平,0V 表示低电平。(3) 方位角和高低角信号属于交流信号。这些信号来自受信仪上角度传感器所产生正余弦信号,范围是士 10V 之间。随动系统的数字量信号、模拟

47、量信号、正弦信号，这三类关键信号标志着随动系统的运转情况,对这三类信号进行实时的追踪检测，便可以找出故障点，判断故障的原因。这些信号任何一个出现异常,均有可能导致随动系统出现故障，所以要确保这些信号的稳定性和正确性。才能够使得随动系统完全运行。3.3 故障检测设备的结构设计3.3.1 本文的设计方案本文的设计方案通过对其他随动系统故障检测设备的研究分析，可知该检测设备大致可以分为几类：(1)基于 DSP 结构的故障检测设备。DSP 具有高效实时的数字处理功能，其数字化技术正极大的改变着我们生活。作为数字化技术的基石，相对于一般的处理器作了很大的扩充和增强，主要是：流水线结构，修正的哈佛结构和多

48、总线技术；硬件乘法器以及特殊指令，使得运算周期短。作为数字信号处理通常采用的技术，它具有数字系统的一些共同的优点，例如抗干扰能力强，可靠性高，便于大规模的集成等。除此之外还有一点显著的优点：精度较高，灵活性较强，可以实现模拟系统很难达到的指标，实现多信号的同时处理，对原件值的容限不敏感，受温度环境等外部影响小；容易实现集成；可以分时复用，共享处理器；相对于模拟处理对数字信息的处理，实现了很多功能，如：线性相位、多抽样率处理、级联等等16。DSP 存在的缺点：需要进行模数转换，增加了系统的复杂性；受采样频率的限制，应用的频率范围是有限的；系统的功率消耗比较大，没有无源设备可靠。可以说优点远远大于

49、缺点，但是，一般的 DSP 不能内嵌性能较好的嵌入式操作系统,因此该类系统要想实现美观实用的人机交互界面，还需要借助 PC 机来完成。DSP 片内外设资源比较少，不便于外扩其他模块和设备，所以只能适用于对软件要求不高的设计。西安工业大学工程硕士学位论文12(2)基于 MCU 结构的故障检测设备，MCU 是指随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的 CPU、 RAM 、ROM、定时器计数器和多种 I/O 接口集成在一块芯片上，形成芯片级的计算机，能够很好的完成通信和智能控制的任务。MCU 具有功能强大、体积小、成本低的特点，其应用领域越来越广，在汽车与工业电子等主力市场、智能家居、智能仪表以

50、及医疗电子器械等新兴应用领域的到了迅猛发展。但是,MCU 的数据处理能力较差比不上高性能 DSP,当所需要处理的数据信息很大时，当对实时监测性能要求很高的情况下，该系统是不能完全取代 x86 架构的工控机。本文综合以上两种故障诊断设备的优缺点，采用了基于 PC104 的随动系统故障诊断设备设计方案。本系统软件方面采用 VC+进行开发，设计出系统检测的人机交互界面，实现对随动系统的高低、方位信号的实时采集和显示，并对采集的数据进行故障判断和定位。PC104 是一种工业计算机总线标准。其 是一种专门为嵌入式控制而定义的小型、堆栈式结构的嵌入式控制系统17。在信息技术迅猛发展的今天，各种检测设备已经

51、进入到了智能化的时代，基于 PC104发展起来的测试系统已经引领了检测设备的发展方向，利用该系统不但可以完成检测任务，基于其形态的紧凑结构使得该检测设备体积轻巧便于携带。 PC104可以利用现有的软件和硬件资源，使得整个系统的开发周期大大缩短。 PC104共有64个总线管脚，单列双排插针和插孔，P1：64针，P2：40针，合计104个总线信号， PC104因此得名。根据随动系统故障检测设备的需求，在硬件上采用了基于 PC104 的嵌入式 CPU 主板，开放式的总线结构可扩展我们所需的各种模块，模拟量采集卡、数字量 I/O 采集卡等满足对随动系统检测接口要求。3.3.2 该故障检测设备的结构和组

52、成该故障检测设备的结构和组成鉴于故障检测设备易受到电磁干扰，为了提高设备的可靠性和准确性，将其核心部分封装在密闭的机箱内18。该设备为了满足系统实时性和功能多样性的要求，将运算高效的 CPU 和精准的数据采集卡作为检测设备的基本硬件单元。在本文设计中，检测设备主要由信号的调理板单元，基于 PC104 总线的嵌入式 CPU 模块和数据采集卡以及显示器和键盘组成。基本结构如图 3.1 所示：随动系统采集单元信号调理中央处理器显示图 3.1 基本结构3 随动系统故障检测设备的总体设计13中央处理单元：是故障检测仪故障分析系统的运算和控制核心，主要处理数据采集模块采集的数据，进行计算分析，并且进行 L

53、CD 人机化显示。数字量采集单元：数字量的采集包括状态信号和控制信号。这些信号进行光电隔离和电平转换后，以 TTL 电平从适配器的数字量输出口传送至检测仪。控制信号表示控制箱与随动系统之间的各种管理和控制驱动信号。模拟量采集单元：模拟量的采集，主要是采集模拟信号，进行显示，包括高低驱动器、方位驱动器指令，方位和高低，以及电源信号等，并进行处理，以曲线的形式显示。受信仪单元：主要是针对高低传感器、方位传感器的角度信息进行转换。电源模块：是整个系统的供电模块。键盘模块：对系统进行输入设置，参数输入等功能。LCD 显示：进行有好多人机交互，实现直观的显示。3.4 本章小结本故障检测设备的设计目标是设

54、计一种对随动系统的数字量信号和模拟量信号均能检测的便携式的故障检测设备。本章进行了随动系统故障检测设备的总体设计。首先,确定了该故障检测设备的功能和需要达到的性能指标19。然后,对几种系统结构方案进行了进一步的分析与研究,最终选择了基于 PC104 的故障检测设备的设计方案。此设计方案满足故障检测设备的功能指标要求，同时具备了良好的性能和较低的成本，便于携带易于扩展。西安工业大学工程硕士学位论文144 硬件设计鉴于故障检测分析仪器易受到电磁干扰 , 为了提高检测工作的准确度 ,检测分析仪器的核心部分要在封闭式机箱里设计。 检测仪器由运算效率高的 CPU 和精确度高的数据采集卡作为检测仪的基本硬

55、件单元。在本文设计中，检测仪主要由关键信号引出转换调理单元，基于 PC104 总线的嵌入式 CPU 模块和数据采集卡以及显示器等组成。整体结构如图 4.1 所示。中央处理单元数字量采集单元模拟量采集单元受信仪单元随动系统LCD显示电源模块键盘模块图 4.1 系统组成图4.1 基于 PC104 的嵌入式中心控制模块PC104 是嵌入式 PC 的机械电气标准。该标准为嵌入式应用提供了标准的系统平台，其开放式的总线结为应用系统提供了标准高效的系统组件。PC104 与普通的 PC 总线控制系统不同,它尺寸小、超低功耗、采用堆栈式连接、轻松的总线驱动，拥有针对于嵌入式应用的功能扩展，受到了大家的普遍欢迎

56、，该模块后期的维护简单、升级方便。将 PC104 板卡模块作为故障检测分析系统的运算控制核心, 选用盛博科技的嵌入式PC104 SCM/LX-3160CPU 主板20，模块集成了键盘、鼠标、显示器、硬盘、USB 2.0、串口、并口等接口，在有限的空间里可以出色的实现 PC 几乎所得功能。并且，自身携带的 CF 卡完全可以满足数据存储的需要，不用再扩展外围存储器。PC104 办卡如图 4.2 所4 硬件设计15示。图 4.2 PC104 板卡该模块的性能特点：(1) SCM/LX-3160 与 PC 标准完全兼容，并遵从 PC/104 标准。在 IBM-PC 上运行的众多软件全部能在以 SCM/

57、LX-3160 为基础的系统中运行。模块集成了 PS/2 键盘、PS/2鼠标、CRT、IDE、USB 2.0、4 串一并、2 个 10/100BaseT 以太网等接口，在极小空间里实现 PC 机几乎所有的功能。平板显示接口、CF 卡接口、串口多种形式选择、看门狗功能等接口让设计人员更方便的实现嵌入式系统应用。(2) SCM/LX-3160 是一款高性能的 PC/104 CPU 模块。SCM/LX-3160 采用 AMD Geode LX 800 CPU，工作频率高达 500MHz，具有 128KB 一级高速缓存和 128KB 二级高速缓存。(3) SCM/LX-3160 专为嵌入式应用设计,具

58、有低功耗、高可靠性、小体积、无风扇、宽温工作的特点,使之广泛适用于国防电子、车载系统、医疗仪器、通信、电力控制、工业现场控制、安防系统等应用中21。4.2 数字量数据采集卡和数字量信号调理板随着科学技术飞速发展，信息技术被广泛应用到故障检测设备当中，使得故障检测设备的精度有了很大程度的提高。我们在对故障进行检测时，首先要确保采集的信号实时准确。在对于随动系统的数字量信息进行采集时，我们要考虑的是大量的数据信息如何及时的采集上来，并能准确的传输到中央处理器，对信号进行分析处理。同时还要考虑到随动系统的信号与检测设备之间的干扰问题，因此要进行信号的隔离。数字信号采集处理个整体过程如图 4.3 所示

59、。西安工业大学工程硕士学位论文16数字量采集卡高低驱动器供电方位驱动器供电射角限制器低限位射角限制器高限位连锁信号调动方式信号调动允许信号连锁信号控制机工作监视自动调动信号高低驱动器使能方位驱动器使能高低机手动信号方位机手动信号离合器加速绕组供电离合器保持绕组供电离合器保持转换隔离隔离图 4.3 数字量采集4.2.1 采集卡采集卡盛博协同的CDT2000 数字量I/O 模块与SCM/LX-3160模块系统构成一个高性能的数据采集与控制系统。我们利用的是CDT2000的48通道的数字量I/O口，它可以直接连接外部设备判断开关的状态22。我们对数字量的采集包括被检测设备的状态信号和控制信号。这些被

60、检测信号首先要进行光电隔离和电平转换，从信号调理板输入到检测设备时，必须保证信号的是以逻辑电平的形式进入的。控制信号表示控制箱与随动系统之间的各种管理和控制驱动信号。随动系统所有检测信号通过适配器输入到信号调理板上；处理隔离后的数字量从信号调理板输出给检测仪，输出数字量信号高电平为5V，低电平为0.30.8V。该模块如图4.4所示。图 4.4 CDT2000 模块4 硬件设计17CDT2000 16 位计数器/定时器与数字量 I/O 模块可将与 IBM PC 兼容的 PC/104 模块构成的系统变成一个高性能的控制系统。CDT2000 模块结构紧凑适合嵌入式及便携式应用其功能为：(1)16 位