转子轴心轨迹测量及控制台运动控制

1、综合测试实验报告 题目：转子轴心轨迹测量控制台运动控制指导老师：弢班级： 姓名：XXX姓名：XXX学号：学号：20XX年X月目录第一章 轴心轨迹测量1. 实验台简介.52. 实验原理.53. 实验仪器和设备.54. 实验基础64.1 Simulink动态仿真.64.2 S-function的工作机制.74.3 C MEX-file S-function.75. 数据采集程序设计.85.1 创建DDL文件.85.2 mdl文件示意图.115.3 GUI设计.115.4信号处理.13 5.4.1 未滤波getdata代码.13 5.4.2 低通滤波getdata代码.146. 实验结果.15 6.

2、1采集信号前后示波器scope波形分析.15 6.2采用滤波器前后波形分析16 6.3应用Bufferworth低通滤波器处理的实验结果.17 6.3.1不同采样频率波形比较.17 6.3.2不同低通区间的波形比较.19 6.3.3不同截取长度波形比较.21 6.3.4不同运转速度时波形比较.227. 实验结论.238. 低通滤波的进一步尝试与研究.24 8.1建立界面的m文件.24 8.2 设计界面的效果图.28 8.3 低通滤波结果29第二章 控制台运动控制1. 实验原理.302. 实验基本要求.313. 实验基础.313.1控制运动模块.31 3.2 模块功能具体实现.324. 实验结果

3、.33 4.1 重要参数设计.33 4.2 程序图解.345. 功能理解.346. 分析.367. 实验过程.37 7.1 尝试一.37 7.1.1 功能描述.37 7.1.2 结论一.37 7.2 尝试二.38 7.2.1 功能描述.39 7.2.2 结论二.39心得体会.40l XXX.40l XXX.42附录.44组员分工第一章 转子轴心轨迹测量实验内容负责人利用S-Function模版创建DLL输入输出设置采集编程mytest文件gatadata文件信号采集及分析低通滤波的进一步尝试与研究实验报告撰写及最终报告的汇总、排版等第二章 控制台运动控制实验内容负责人模块功能分析程序逻辑构建程

4、序搭建程序调试参数确定实验报告撰写说明：实验过程中的每一个部分，两个小组成员基本上都是全部参与。在完成整个实验的过程中，我们一起讨论，共同研究，克服一个个困难，最终顺利完成实验。 综合测试实验报告 43 / 43第一章 轴心轨迹测量一、实验台简介DRZZS-A型多功能转子试验台由：1底座、2主轴、3飞轮、4直流电机、5主轴支座、6含油轴承及油杯、7电机支座、8连轴器及护罩、9RS9008电涡流传感器支架、10磁电转速传感器支架、11测速齿轮(15齿)、12保护挡板支架，几部分组成，如图1所示。图1 DRZZS-A型多功能转子试验台传感器安装位置示意图主要技术指标为：可调转速范围：02500转/

5、分，无级电源：DC12V主轴长度：500mm主轴直径：12mm外形尺寸：640×140×160mm重量：12.5kg二、实验原理图2 轴心轨迹测量轴心轨迹是转子运行时轴心的位置，在忽略轴的圆度误差的情况下，可以将两个电涡流位移传感器探头安装到实验台中部的传感器支架上，相互成90度，并调好两个探头到主轴的距离（约1.6mm），标准是使从前置器输出的信号刚好为0（mV）。这时，转子实验台启动后两个传感器测量的就是它在两个垂直方向(X,Y)上的瞬时位移，合成为李沙育图就是转子的轴心运动轨迹。三、实验仪器和设备1. 计算机（已安装MATLAB软件） 1台2. DRVI快速可重组虚拟

6、仪器平台1套3. 电涡流位移传感器2套4. 转子试验台1套5. 虚拟仪器数据采集工作台1台四、实验基础4.1 Simulink动态仿真SIMULINK是MATLAB重要软件包，用于对动态系统建模和仿真，它适用于连续系统和离散系统，也适用线性系统和非线性系统。它采用系统模块直观地描述系统典型环节，可十分方便地建立系统模型。Simulink模块包括一系列输入、状态和输出。输出是采样时间、输入、模块状态的函数。x(状态)u(输入)y(输出)下面的方程描述了输入、输出和状态的数学关系。Simulink模型的执行按下述几个步骤。首先是初始化阶段。在这个阶段Simulink将库模块集合到模型，传播宽度、数

7、据类型和采样时间，评估模块参数，确定模块执行顺序，分配内存。然后是仿真阶段。此时Simulink进入一个仿真循环，循环的每次执行对应一个仿真步。在每个仿真步，Simulink按初始化阶段确定的顺序执行各个模块。对每个模块，Simulink计算模块在当前采样时间的状态、微分和输出，这将持续到仿真介绍。下图描述了Simulink的仿真过程。模型初始化计算下一步的采样步长（仅适用于变步长块）计算输出更新离散状态仿真循环在最后一步时清除计算导数计算输出积分（积分微步）计算导数过零检测4.2 S-function的工作机制S-function包括一系列的回调方法，用以执行每个仿真步骤所需的任务。在一个模

8、型的仿真过程中，每个仿真步骤，Simulink将调用各S-function的适当方法。S-function的执行方法包括：1) 初始化：在首次仿真循环中执行。2) 计算下一采样点：如果定义了一个可变采样步长的模块，这一步将计算下一次采样点，也就是计算下一步长。3) 计算在主要时间步中的输出：这一步结束之后，模块的输出端口在当前时间步是有效的。4) 更新主要时间步中的离散状态：所有的模块在该回调方法中，必须执行一次每次时间步都要执行的活动。5) 积分：这用于具有连续状态的或者具有非采样过零的模型。4.3 C MEX-file S-function定义了S-function模块的C MEX-fil

9、e必须在仿真过程中向Simulink提供模型信息。mdlInitializeSize是Simulink与S-function交互时调用的第一个方法。随后Simulink将调用其他S-function方法（都以mdl开头）。仿真结束时，Simulink调用mdlTerminate。利用C写的S-Function仿真步骤如下：仿真开始mdlInitialzeSize初始化mdlInitiallizeSampleTimes仿真循环mdlOutputsmdlTerminate五、数据采集程序设计5.1 创建DLL（work1 文件）#define S_FUNCTION_NAME work1 /S_Fu

10、nction文件名为work1#define S_FUNCTION_LEVEL 2#include "simstruc.h"#include "abc.h"double buffer5000;double buffer15000;int pnum;char ch8;static void mdlInitializeSizes(SimStruct *S) ssSetNumSFcnParams(S, 0); if (ssGetNumSFcnParams(S) != ssGetSFcnParamsCount(S) return; ssSetNumContSta

11、tes(S, 0); ssSetNumDiscStates(S, 0);/定义两个输入信号端口/设置信号1接口宽度/输入信号1的接口设置/设置信号1接口宽度/输入信号2的接口设置/直接反馈信号1输入接口设置/直接反馈信号2输入接口设置 if (!ssSetNumInputPorts(S, 2) return; ssSetInputPortWidth(S, 0, 1); ssSetInputPortRequiredContiguous(S, 0, true); ssSetInputPortWidth(S,1,1); ssSetInputPortRequiredContiguous(S,1,tru

12、e); ssSetInputPortDirectFeedThrough(S, 0, 1); ssSetInputPortDirectFeedThrough(S, 1, 1); if (!ssSetNumOutputPorts(S, 2) return; ssSetOutputPortWidth(S, 0, 1); ssSetOutputPortWidth(S, 1, 1); ssSetNumSampleTimes(S, 1); ssSetNumRWork(S, 0); ssSetNumIWork(S, 0); ssSetNumPWork(S, 0); ssSetNumModes(S, 0);

13、ssSetNumNonsampledZCs(S, 0); ssSetOptions(S, 0);static void mdlInitializeSampleTimes(SimStruct *S) ssSetSampleTime(S, 0, CONTINUOUS_SAMPLE_TIME); ssSetOffsetTime(S, 0, 0.0);#define MDL_INITIALIZE_CONDITIONS #if defined(MDL_INITIALIZE_CONDITIONS) static void mdlInitializeConditions(SimStruct *S) #end

14、if #define MDL_START#if defined(MDL_START) static void mdlStart(SimStruct *S) const real_T *u1 = (const real_T *)ssGetInputPortRealSignalPtrs(S,0);/生成input1的S-Function源文件 const real_T *u2 = (const real_T *)ssGetInputPortRealSignalPtrs(S,1); /生成input2的S-Function源文件 if(ADCardInit()!=1) ssSetErrorStatu

15、s(S,"Sorry,can not find DAQCard!"); /报错提醒，未找到DAQCard /开启采集，0x0C表示采集通道3、4/初始化buf指针位置 DAQ2(0x0C,5000,1024*4,buffer,buffer1); pnum=0; #endif static void mdlOutputs(SimStruct *S, int_T tid)/读取的buffer长度/从采集卡读取通道3的buffer/从采集卡读取通道4的buffer/获取坐标轴X的输出指针/获取坐标轴Y的输出指针/判断指针是否已满/输出X轴方向第pnum个点的值/输出Y轴方向第pn

16、um个点的值/指针加1 int Length=1024*4; ReadDaq(3,Length,buffer); ReadDaq(4,Length,buffer1); real_T *x = ssGetOutputPortRealSignal(S,0); real_T *y = ssGetOutputPortRealSignal(S,1); if(pnum>=Length)pnum=0; *x=bufferpnum; *y=buffer1pnum; pnum+;#define MDL_UPDATE#if defined(MDL_UPDATE) static void mdlUpdate(

17、SimStruct *S, int_T tid) #endif #define MDL_DERIVATIVES #if defined(MDL_DERIVATIVES) static void mdlDerivatives(SimStruct *S) #endif static void mdlTerminate(SimStruct *S)/退出采集卡 ADCardQuit(); #ifdef MATLAB_MEX_FILE #include "simulink.c" #else#include "cg_sfun.h" #endif5.2 work2.m

18、dl示意图5.3 GUI 设计clf resetset(gcf,'menubar','none')/设置背景颜色/设置unit位置/设置用户缺省控件单位属性值set(gcf,'color',0.5 0.6 0.4) set(gcf,'unit','normalized','position',0.2,0.2,0.5,0.35); set(gcf,'defaultuicontrolunits','normalized')h_axes1=axes('positio

19、n',0.05,0.5,0.4,0.38); ht1=uicontrol(gcf,'Style','toggle','position',0.55,0.08,0.08,0.05,'horizontal','left','fontname','楷体_GB2312','fontsize',14,'string','Grid X', 'callback','axes(h_axes1),','gr

20、id');/制作“Grid X”按钮h_axes2=axes('position',0.05,0.05,0.40,0.38); ht2=uicontrol(gcf,'Style','toggle', 'position',0.7,0.08,0.08,0.05,'horizontal','left','fontname','楷体_GB2312','fontsize',14,'string','Grid Y', &#

21、39;callback','axes(h_axes2),','grid');/制作“Grid Y”按钮h_axes3=axes('position',0.50,0.3,0.45,0.58); ht3=uicontrol(gcf,'Style','toggle','position',0.85,0.08,0.08,0.05,'horizontal','left','fontname','楷体_GB2312','fontsi

22、ze',14,'string','Grid X-Y', 'callback','axes(h_axes3),','grid');/制作“Grid X-Y”按钮hpush1=uicontrol(gcf,'Style','push','position',0.55,0.20,0.08,0.05,'horizontal','left','fontname','楷体_GB2312','fontsi

23、ze',14,'string','采集');/设置“采集”按钮的位置和大小hpush2=uicontrol(gcf,'Style','push','position',0.7,0.20,0.08,0.05,'horizontal','left','fontname','楷体_GB2312','fontsize',14,'string','滤波');/设置“滤波”按钮的位置和大小hpush2=uic

24、ontrol(gcf,'Style','push','position',0.85,0.20,0.08,0.05,'horizontal','left','fontname','楷体_GB2312','fontsize',14,'string','停止');/设置 “停止”按钮的位置和大小ht0=uicontrol(gcf,'Style','text',. 'position',0.34,

25、0.92,0.27,0.043,'horizontal','left','fontname','楷体_GB2312','fontsize',25,'string','轴心轨迹测量实验')/取名figure为“轴心轨迹测量实验”ht1=uicontrol(gcf,'Style','text',. 'position',0.2,0.89,0.10,0.028,'horizontal','left','

26、fontname','楷体_GB2312','fontsize',16,'string','X轴向波形')/命名第1个图形窗口“X轴向波形”ht2=uicontrol(gcf,'Style','text',. 'position',0.2,0.435,0.10,0.028,'horizontal','left','fontname','楷体_GB2312','fontsize',16,'s

27、tring','Y轴向波形')/命名第2个图形窗口“Y轴向波形”ht3=uicontrol(gcf,'Style','text',. 'position',0.65,0.89,0.15,0.028,'horizontal','left','fontname','楷体_GB2312','fontsize',16,'string','X-Y轴合成波形')/命名第3个图形窗口“X-Y轴合成波形”set(hpush1,&

28、#39;callback','set_param(''work2'',''SimulationCommand'',''start''),',.'t=timer(''TimerFcn'',''getdata'',''Period'',2,''ExecutionMode'',''fixedSpacing'',

29、9;'TasksToExecute'',inf),',./设置定时器，运行getdata文件，与上面是一行'pause(2);start(t);',. /暂停2秒并启动定时器 );/“停止”按键引起的回调set(hpush2,'callback','stop(t);set_param(''work2'',''SimulationCommand'',''stop'');');/停止定时器，mdl文件停止运行信号采集及处理界

30、面如下：5.4 信号处理5.4.1 未滤波getdata代码set_param('work2','SimulationCommand','stop'); / mdl文件停止运行x1=evalin('base','xd.signals.values'); /读取保存到工作空间的信号xd并绘制出来axes(h_axes1); /设置联系，第1个图形窗口plot(x1(1:600); /在第1个图形窗口中绘制X轴向波形y1=evalin('base','yd.signals.values'

31、);/读取保存到工作空间的信号yd并绘制出来axes(h_axes2); /设置联系，第2个图形窗口plot(y1(1:600);/在第2个图形窗口中绘制Y轴向波形set_param('work2','SimulationCommand','start'); /mdl文件运行axes(h_axes3); /设置联系，第3个图形窗口plot(x1(1:600),y1(1:600); /在第3个图形窗口中绘制X-Y轴合成波形5.4.2 低通滤波getdata代码set_param('work2','SimulationComm

32、and','stop'); / mdl文件停止运行x1=evalin('base','xd.signals.values');/读取保存到工作空间的信号xd并绘制出来axes(h_axes1); /设置联系，第1个图形窗口Fs=5000; /采样频率fp=280;fs=450; /设置通带截止频率, 阻带截止频率wp=2*fp/Fs;ws=2*fs/Fs;rp=0.1;rs=60; N,Wc=buttord(wp,ws,rp,rs); /估算得到Butterworth低通滤波器的最小阶数N和3dB截止频率Wcb,a=butter(N,Wc

33、); /设计Butterworth低通滤波器/调用Bufferworth低通滤波器/在第1个图形窗口中绘制X轴向波形/设置联系，第2个图形窗口/调用Bufferworth低通滤波器/在第2个图形窗口中绘制Y轴向波形/设置联系，第3个图形窗口/mdl文件运行x1t=filter(b,a,x1); plot(x1t(1:200);y1=evalin('base','yd.signals.values');/读取保存到工作空间的信号yd并绘制出来axes(h_axes2);y1t=filter(b,a,y1);plot(y1t(1:200);axes(h_axes3)

34、; plot(x1t(1:200),y1t(1:200);/在第3个图形窗口中绘制X-Y轴合成波形set_param('work2','SimulationCommand','start');六、实验结果6.1 采集信号前后示波器scope波形分析1) 未采集信号时两示波器scope的信号波形X轴向波形Y轴向波形2) 采集转子试验台信号后两示波器scope的信号波形X轴向波形Y轴向波形结果分析：未采集信号时，示波器scope中显示的是随机变化的信号，信号的均值在零附近，不能反映试验台转子的轴心轨迹具体位置；采集信号后，两示波器scope显示的波形

35、体现出一定的规律性，信号的均值偏离零，体现出轴心的实际位置。可以据此判断实验过程中是否采集到信号。6.2. 采用滤波器前后波形分析未采用低通滤波器采用低通滤波器X轴向波形Y轴向波形X-Y合成波形结果分析：对比左右两侧的波形可知，若在信号采集过程中不进行低通滤波处理，则波形很不清晰，有许多噪声成分，得到的轴心轨迹是一块区域。采用低通滤波处理后，高频噪声成分被滤掉，X轴向波形，Y-轴向波形，X-Y轴合成波形比较清晰，能较清楚地反映转子轴心轨迹的实际位置。所以对信号进行滤波是很有必要的。6.3. 应用Bufferworth低通滤波器处理的实验结果6.3.1 不同采样频率波形比较参数Fs /HZFp

36、/HZFs /HZrp /dBrs /dB截取长度取值100001803500.1601000参数Fs /HZFp /HZFs /HZrp /dBrs /dB截取长度取值80001803500.1601000参数Fs /HZFp /HZFs /HZrp /dBrs /dB截取长度取值50001803500.1601000结果分析：通过分析以上波形图可知，在其他条件相同的情况下，采样频率影响着采样区间显示在图形窗口内的波峰、波谷数量，采样频率较高时，轴心轨迹曲线比较清晰；采样频率较低时，波形窗口中显示的波峰、波谷数量增加，清晰度不是很高。所以，在适当的范围内，尽量提高采样频率对实验测量的准确性是

37、很有益的。6.3.2 不同低通区间的波形比较参数Fs /HZFp /HZFs /HZrp /dBrs /dB截取长度取值70001804500.1601000参数Fs /HZFp /HZFs /HZrp /dBrs /dB截取长度取值70001803500.1601000结果分析：对比分析以上两张波形图可知，在其他条件相同的情况下，设置的通带截止频率和阻带截止频率之间的差值越大，在图形窗口中的波形高频成分越明显，部分高频成分没有被滤掉，这会减弱低通滤波的效果。所以，在保证能获取正确有效波形的前提下，应尽可能减少低通滤波的最高允许频率。6.3.3 不同截取长度波形比较参数Fs /HZFp /HZ

38、Fs /HZrp /dBrs /dB截取长度取值60001803500.1601000参数Fs /HZFp /HZFs /HZrp /dBrs /dB截取长度取值60001803500.160300结果分析: 对比分析以上波形图可知，在其他条件相同的情况下，截取长度减小，则波形图两个波峰（或波谷）间的距离增大，波形图更清晰。不过当截取长度减小时，波形的规律不易表现出来，且容易将局部随机误差视作系统本身的误差，从这个角度来说，截取长度并不是越小越好。所以，将截取长度取为一个合适的值或截取长度在某个区间内变化时，能得到效果最好的波形图。6.3.4 不同运转速度时波形比较参数Fs /HZFp /HZ

39、Fs /HZrp /dBrs /dB截取长度取值50001803500.1606001）低速2）高速结果分析：对比分析以上两张波形图可知，在其他条件相同的情况下，转子试验台低速运行时，波形图的噪音成分不是很明显，波形相对来说比较清晰；当转子高速旋转时，波形图的噪音现象相当明显，可能由于转子运转速度太快，引起工作台等其他零部件振动，加剧了波形的高频化倾向。所以，在测量轴心轨迹时，不宜用高速来测量。七、实验结论实验中通过对比分析滤波前后波形的清晰程度，得出采用低通滤波的必要性。并采用控制单一变量的方法，逐一分析了采样频率、低通滤波区间、截取长度、转子运转速度等对波形清晰度和测量轴心轨迹的准确度的影

40、响。由以上分析可知，实际转子轴心在运动过程中的轨迹是不断变化的，基本上呈现一个封闭圆。认真分析图形数据可以发现，实际轴心在X轴方向上是正负相间的，Y轴方向上取负值的概率更大，说明零部件安装后实际轴线在Y轴方向上可能是有位置度误差的。利用DRVI快速可重组虚拟仪器实验平台测得结果如下：分析上图是利用DRVI快速可重组虚拟仪器实验平台测得的波形图，将上图与本实验设计的界面和测得的波形比较可以发现，测得的X轴信号偏离零线幅度不大，且基本是正负相间，而测得的Y轴信号偏离零线较大距离，且全部在零线下方，这说明在运动过程中，转子轴心Y方向存在系统误差，X轴方向存在随机误差。上述结果和本实验采集信号并分析得

41、到的结果是基本吻合的，这也验证了我们设计的界面和信号分析的正确性。八、低通滤波的进一步尝试与研究8.1 建立界面的m文件function varargout = gui1(varargin)gui_Singleton = 1;gui_State = struct('gui_Name', mfilename, . 'gui_Singleton', gui_Singleton, . 'gui_OpeningFcn', gui1_OpeningFcn, . 'gui_OutputFcn', gui1_OutputFcn, . '

42、gui_LayoutFcn', , . 'gui_Callback', );if nargin && ischar(varargin1) gui_State.gui_Callback = str2func(varargin1);endif nargout varargout1:nargout = gui_mainfcn(gui_State, varargin:);else gui_mainfcn(gui_State, varargin:);endfunction gui1_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, v

43、arargin)handles.output = hObject;guidata(hObject, handles);function varargout = gui1_OutputFcn(hObject, eventdata, handles) varargout1 = handles.output;function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles)global imnfs=get(handles.editfs,'String')nfp=get(handles.editfp,'String')n

44、fr=get(handles.editfr,'String')nap=get(handles.editap,'String')nar=get(handles.editar,'String')fs=str2num(nfs)fp=str2num(nfp)fr=str2num(nfr)ap=str2num(nap)ar=str2num(nar)t=1/fsif im='a' /采用巴特沃斯冲激响应不变法滤波wp=2*pi*fp/fs;wr=2*pi*fr/fs;n,wn=buttord(wp,wr,ap,ar,'s')b

45、,a=butter(n,wn,'low','s')B,A=lp2bp(b,a,sqrt(wp*wr),wr-wp)bz,az=impinvar(b,a,fs)figure(1)freqz(bz,az,512,fs)elseif im='b' /采用巴特沃斯双线性变换法滤波wp=2*pi*fp/fs;wr=2*pi*fr/fs;wpp=2/t*tan(wp/2);wrr=2/t*tan(wr/2);n,wn=buttord(wpp,wrr,ap,ar,'s')b,a=butter(n,wn,'low','s&

46、#39;)B,A=lp2bp(b,a,sqrt(wpp*wrr),wrr-wpp)bz,az=bilinear(b,a,fs)figure(1)freqz(bz,az,512,fs) elseif im='c' /采用切比雪夫冲激响应不变法滤波wp=2*pi*fp/fs;wr=2*pi*fr/fs;n,wn=cheb1ord(wp,wr,ap,ar,'s')b,a=cheby1(n,ap,wn,'low','s')bz,az=impinvar(b,a,fs)figure(1)freqz(bz,az,512,fs)else /采用切

47、比雪夫双线性不变法滤波wp=2*pi*fp/fs;wr=2*pi*fr/fs;wpp=2/t*tan(wp/2);wrr=2/t*tan(wr/2);n,wn=cheb1ord(wpp,wrr,ap,ar,'s')b,a=cheby1(n,ap,wn,'low','s')bz,az=bilinear(b,a,fs)figure(1)freqz(bz,az,512,fs) endfunction editfp_Callback(hObject, eventdata, handles)function editfp_CreateFcn(hObject

48、, eventdata, handles)if ispc set(hObject,'BackgroundColor','white');else set(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor');endfunction edit2_Callback(hObject, eventdata, handles)function edit2_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)if ispc set(hObj

49、ect,'BackgroundColor','white');else set(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor');endfunction editfr_Callback(hObject, eventdata, handles)function editfr_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)if ispc set(hObject,'BackgroundColor','

50、white');else set(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor');endfunction editar_Callback(hObject, eventdata, handles)function editar_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)if ispc set(hObject,'BackgroundColor','white');else set(hObject,'B

51、ackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor');endfunction editap_Callback(hObject, eventdata, handles)function editap_CreateFcn(hObject, eventdata, handles)if ispc set(hObject,'BackgroundColor','white');else set(hObject,'BackgroundColor',get(0,'defaultUicontrolBackground