基于LabVIEW的動力學(xué)分析系統(tǒng)

Dynamics Analysis System Based on LabVIEW

劉景峰1　岳鳳英1　李永紅2

(中北大學(xué)計算機與控制工程學(xué)院1，山西 太原　030051;中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院2，山西 太原　030051)

基于LabVIEW的動力學(xué)分析系統(tǒng)

Dynamics Analysis System Based on LabVIEW

劉景峰1岳鳳英1李永紅2

(中北大學(xué)計算機與控制工程學(xué)院1，山西 太原030051;中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院2，山西 太原030051)

摘要：在工程應(yīng)用領(lǐng)域中，設(shè)備的健康狀況對系統(tǒng)的正常工作起著絕對性的作用，但是用于設(shè)備健康狀態(tài)分析的方法大多較為抽象，計算繁瑣，且不易實現(xiàn)。針對此問題，對以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺的動力學(xué)分析系統(tǒng)進行了研究。通過對設(shè)備多種信號進行采集，利用多種經(jīng)典的時頻分析和現(xiàn)代譜分析方法，完成了對設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、固有特性提取、故障診斷等分析。試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性與可靠性，可以較好地完成動力學(xué)分析。

關(guān)鍵詞：動力學(xué)分析LabVIEW時頻分析現(xiàn)代譜分析FPGA模態(tài)分析故障診斷數(shù)據(jù)采集模塊

Abstract：In engineering application field, the health status of equipment plays the role of absoluteness in normal operation of the system, while the most of the analysis methods for the health status of equipment are abstraction, and the computation is complicated and often difficult to achieve. Aiming at these problems, the dynamics analysis system with LabVIEW as the software development platform is researched. Through acquiring multiple kinds of signals of equipment, by adopting variety of classical time frequency analysis methods and modern spectrum analysis methods, the equipment status monitoring, inherent feature extraction and fault diagnosis are completed. The experimental results show that the system possesses good stability and reliability, it can work for most of the dynamics analysis.

Keywords：Dynamics analysisLabVIEWTime-frequency analysisModern spectrum analysisFPGAModal analysis

Fault diagnosisData acquisition module

0引言

隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件技術(shù)的快速發(fā)展，人們對設(shè)備本身的健康狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和其他特性分析的要求越來越高，以往對設(shè)備狀態(tài)單層面的分析已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的要求。本文以LabVIEW為開發(fā)平臺，設(shè)計了一套可以同時對多路信號進行采集的動力學(xué)分析系統(tǒng)[1-2]。該系統(tǒng)能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)傳輸至上位機進行顯示或是保存成數(shù)據(jù)文件[3]，并對保存的數(shù)據(jù)按照各自的特征進行多功能的數(shù)據(jù)分析[4],進而完成對信號的多層面處理，獲取完整的設(shè)備狀態(tài)信息，為避免大規(guī)模事故發(fā)生提供了有力的依據(jù)[5]。

LabVIEW語言不但具有豐富的函數(shù)、工具包、設(shè)備驅(qū)動等，還可以對Matlab語言、C語言進行調(diào)用，解決了傳統(tǒng)編程語言存在的編程繁瑣、開發(fā)周期長等問題。另外，LabVIEW具有豐富多樣的控件類型，軟件界面友好，系統(tǒng)的實際應(yīng)用性強[6]。

1系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件部分主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)保存模塊和數(shù)據(jù)分析模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊主要通過與下位機的配合完成數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)保存模塊用于將采集到的數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)文件中，以便于系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的分析。數(shù)據(jù)分析模塊是系統(tǒng)的重要組成部分，主要用于完成系統(tǒng)的動力學(xué)分析功能。

2硬件設(shè)計

系統(tǒng)以FPGA芯片為控制核心完成下位機的系統(tǒng)控制。由于在設(shè)備監(jiān)測時，需要采集多種信號來進行分析，所以采集模塊提供了橋式、熱電偶、IEPE、電壓等多種類型的傳感器來完成多種信號的采集。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，利用高精度的A/D轉(zhuǎn)換器完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳輸至上位機。

3數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析模塊主要由經(jīng)典的時頻分析和現(xiàn)代譜分析組成，其功能框圖如圖1所示。在進行數(shù)據(jù)分析時，對于一般的采集信號，通過經(jīng)典的時頻分析便可提取出信號特征，完成動力學(xué)分析[7-8]。但是，當(dāng)待測信號的信噪比很低，并且信號中混有的噪聲幅值較大、分布廣或是需要對設(shè)備的動態(tài)特性進行分析時，運用傳統(tǒng)的方法往往達不到分析的目的，這時就需要采用現(xiàn)代譜分析方法來達到動力學(xué)分析的目的。

圖1　數(shù)據(jù)分析模塊示意圖

3.1　沖擊響應(yīng)譜分析

通過對設(shè)備結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)譜進行分析，可以得到設(shè)備在各頻率信號沖擊下的響應(yīng)情況，從而為設(shè)備的抗震設(shè)計和結(jié)構(gòu)特性的優(yōu)化提供理論依據(jù)。圖2為原始信號和其沖擊響應(yīng)譜。

圖2　原始信號及沖擊響應(yīng)譜

3.2　概率密度函數(shù)分析

通過對概率密度函數(shù)的分析，可以得到信號中不同幅值的概率。當(dāng)對設(shè)備進行健康狀態(tài)檢測時，利用此分析方法可以全面地描述設(shè)備信號的瞬時值、正態(tài)性和幅值大小分布情況。通常情況下，當(dāng)設(shè)備進行正常工作時，設(shè)備振動信號的幅值概率密度函數(shù)曲線在形狀上類似于正態(tài)分布；當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，概率密度函數(shù)曲線形狀將發(fā)生變化。利用概率密度函數(shù)的這種特性就可以對設(shè)備的故障進行分析。

3.3　小波分析

圖3為原始含噪信號利用小波“db13”函數(shù)去噪的結(jié)果。從圖3可以明顯看出，利用小波分析能夠?qū)⑽⑷跣盘枩?zhǔn)確提取出來，充分證明了小波分析的實用性。

圖3　小波去噪示意圖

利用小波具有覆蓋整個信號頻域范圍的特性，可以將混有噪聲的微弱信號準(zhǔn)確地提取出來，從而保證信號分析的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)提供了小波去噪、小波峰值監(jiān)測、特征值提取、小波分解與重構(gòu)等處理方法，運用這些方法可以準(zhǔn)確并有效地完成信號的多層次分析[9-10]。此外，在進行小波分析時，需要針對信號的不同特點選擇合適的小波函數(shù)，才能得到理想的處理結(jié)果。

3.4　模態(tài)分析

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的一種方法，是系統(tǒng)辨識方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用。通過模態(tài)分析，可以識別出系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)。通過對模態(tài)參數(shù)的分析，就可能預(yù)知結(jié)構(gòu)體在某頻率范圍內(nèi)的實際振動響應(yīng)，為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的振動特性分析、振動故障診斷和預(yù)報以及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計提供有力的依據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)體進行模態(tài)分析時，首先將測試的激勵信號與響應(yīng)信號經(jīng)過預(yù)處理提取出有效信號，然后經(jīng)過計算得到頻率響應(yīng)函數(shù)，最后利用頻響函數(shù)進行模態(tài)分析，從而獲取模態(tài)參數(shù)[11]。

系統(tǒng)提供了頻域直接參數(shù)識別法(frequency direct parameter identification，F(xiàn)DPI)和最小二乘復(fù)指數(shù)法(least squares complex exponential，LSCE)兩種模態(tài)參數(shù)識別方法，通過設(shè)置階次可以實現(xiàn)多階參數(shù)識別，在獲取模態(tài)參數(shù)后進入振型動畫顯示界面。在振型動畫界面上先建立測試模型和測試點，再選擇要分析的模態(tài)參數(shù)，便可進行振型動畫顯示。振型動畫能夠直接反映被測物體在各模態(tài)參數(shù)下的振動情況，從而完成系統(tǒng)的模態(tài)分析。

除以上介紹的分析方法以外，系統(tǒng)還包括了功率譜密度分析、頻響函數(shù)分析、聲壓級分析、振動級分析等模塊，利用各分析方法的特性對信號進行相應(yīng)處理，最終均可達到動力學(xué)分析的目的。

4系統(tǒng)測試

為驗證系統(tǒng)工作的準(zhǔn)確性，選取一塊平面鋼板，并在鋼板上均勻設(shè)置20個測試點，采用力錘錘擊的方法，通過系統(tǒng)的采集模塊采集20個點響應(yīng)信號。由于所選的鋼板很薄，所以只進行Z軸方向上的測量。將采集的響應(yīng)信號和力錘的激勵信號經(jīng)過上位機的預(yù)處理和頻響分析，最終生成頻響函數(shù)曲線。在進行模態(tài)參數(shù)識別運算時，根據(jù)頻響函數(shù)的分布情況，利用兩種參數(shù)識別方法各自進行多階模態(tài)參數(shù)識別。但是，由于在模態(tài)識別過程中經(jīng)常會引入虛假模態(tài)，所以分析出準(zhǔn)確的模態(tài)參數(shù)對模態(tài)分析起著重要的作用。模態(tài)參數(shù)確定后結(jié)合模態(tài)參數(shù)的取值范圍和對應(yīng)振型動畫的振動情況，最終確定所有的模態(tài)參數(shù)。系統(tǒng)通過上文所述兩種方法辨別出的模態(tài)參數(shù)和通過ANSYS理論計算的參數(shù)如表1所示。

表1　模態(tài)參數(shù)

由表1可知，系統(tǒng)處理得到的模態(tài)參數(shù)與經(jīng)過ANSYS理論計算的結(jié)果相近，這一方面驗證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，另一方面也驗證了系統(tǒng)模態(tài)分析的準(zhǔn)確性。此外，系統(tǒng)所有分析模塊的函數(shù)均是采用LabVIEW軟件自帶的函數(shù)包，從而保證了系統(tǒng)各個分析模塊的準(zhǔn)確性。

5結(jié)束語

本系統(tǒng)通過對采集數(shù)據(jù)進行經(jīng)典的時頻分析和現(xiàn)代譜分析，實現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析、故障檢測分析和預(yù)報，并為結(jié)構(gòu)特性的優(yōu)化提供了依據(jù)。試驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有可靠的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。系統(tǒng)界面友好且操作簡單，可以將復(fù)雜的信號處理過程簡單化，最終有效地完成了動力學(xué)分析。

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中圖分類號：TP277

文獻標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503006

山西省青年科技研究基金資助項目(編號：2012021013-6)。

修改稿收到日期：2014-09-25。

第一作者劉景峰(1988-)，男，現(xiàn)為中北大學(xué)儀器儀表專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事動態(tài)測試與智能儀器的研究。