基于虚拟仪器的气动弹性振动测试与分析系统

时间：2023-03-03 08:06:15 其他范文收藏本文下载本文

这里给大家分享一些基于虚拟仪器的气动弹性振动测试与分析系统，本文共8篇，供大家参考。

篇1：基于虚拟仪器的气动弹性振动测试与分析系统

基于虚拟仪器的气动弹性振动测试与分析系统

针对气动弹性试验的.需要,设计了基于虚拟仪器技术的振动测试与分析系统,主要用于频谱分析、模态辨识和颤振预测.系统的设计利用的是LabVIEW虚拟仪器开发平台及Matlab,内容涵盖振动信号的采集与分析处理.在地面振动试验和风洞试验中的应用实例验证了该套系统的有效性.

作者：袁锐知吴志刚杨超 YUAN Rui-zhi WU Zhi-gang YANG Chao 作者单位：北京航空航天大学,航空科学与工程学院,北京,100191 刊名：测控技术 ISTIC PKU英文刊名：MEASUREMENT & CONTROL TECHNOLOGY 年，卷(期)： 29(6) 分类号：V215.3 关键词：气动弹性模态辨识颤振预测虚拟仪器

篇2：基于虚拟仪器的水电机组在线振动监测系统

基于虚拟仪器的水电机组在线振动监测系统

摘要：介绍了基于虚拟仪器的在线振动监测系统的基本组成、实现方法和功能，采用PXI总线仪器和LabVIEW可视化的虚拟仪器系统开发平台，把传统仪器的所有功能模块集成在一台计算机中，用户可以通过修改虚拟仪器的软件改变其功能与规模。该系统实现了水电机组振动信号的自动采集，并能通过计算机进行振动信号的处理和分析。

关键词：虚拟仪器水电机组振动监测 PXI LabVIEW

随着我国水电事业的发展，大型机组的投产，各种容量的机组数量不断增多。如何保证水电机组运行稳定是人们普通关心的重要问题。而现阶段我国水电机组的检修一般实行计划检修制度，不管设备状态如何，到期必修，由此造成大量的资源浪费。这种传统的预期维修体制已经不能满足现代维修、运行、管理的要求。水电机组设备庞大、结构复杂、故障的诱因繁多，虽有一些故障不一定以振动形式表现出来，但统计资源表明，水电机组约有80%的故障或事故在振动信号中有所反映[1]，例如水电机组下机架的振动参数表示在转动部门的平衡情况，其振动的极频分量说明发电机电磁振动情况等。因此，振动监测是目前应用最为普通和有效的方法[2]，通过对这些振动信号的分析，充分发掘其中所包含的故障信息，对水电机组的安全生活、决策具有重要的实际意义[3]。

水电机组的振动监测可由传统仪器系统构成，如图1所示。系统功能是由厂家事先定义且固定不可变更功能的传统仪器完成。由于传统仪器听功能缺乏灵活性，有时尽管资金投入很大，但仍很难满足任务的不断变化所产生的多样化的需求。而虚拟仪器技术改变了这种状况，它开创了仪器使用者可以成为仪器设计者的新时代。虚拟仪器就是通过软件平台构造与真实仪器物理面板相类似的虚拟面板，硬件不再是系统的主体，它只是在其中实现信号的输入输出，而由功能强大的软件完成信号的采集、分析处理和结果显示，实现了“软件就是仪器”的理念。虚拟仪器用计算机软件代替传统仪器的某些硬件功能，用户可以根据需要定义仪器的功能，虚拟仪器性能的改进和功能扩展也只需进行相关软件的设计更新，而不需要增添新的仪器。因此，虚拟仪器技术具有开发周期短、成本低、维护方便、灵活、功能强大、用户可自行定义等特点[4]。

1 系统硬件结构

本系统的硬件由传感器、SCB-68接线端子盒、PXI-1010组合机箱、SCXI-1125可编程隔离放大模块、SCXI-1141可编程低通滤波模块、SCXI-1140采样/保持模块、PXI-6052E数据采集卡、PXI-PCI833X计算机控制PXI模块、MXI-3光纤通信模块、DFE-530TXI网络适配卡等组成，其硬件结构如图2所示。

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1.1 振动传感器的选择及安装

水电机组与火电机组相比，水电机组的额定转速较低，尤其是水力因素引起的振动频率更低。水电机组振动信号属低频信号。由于振动传感器现场环境恶劣、电磁干扰大、温度变化大，且传感器支架本身长期颤动会增加测量的误差，因此需选择可靠性高、抗干扰能力强、精神度高及性能稳定的振传感器。为了避免因振动传感器安装造成附加误差使测量值失真，振动传感器应合理安装。本系统在测量轴摆度时，选择电涡流传感器，它利用电涡流效应测量位置，具有非接触测量、抗干扰能力强的优点。将电涡流传感器安排在轴承壳体上，衽相对测量，测点位置可选在上导、下导、水导和推力等处，并各安装两个互为90°的电涡流传感器。在测量机架和项盖等振动时，选择地震式传感器。它测量基座所连接物体的绝对振动，具有抗振和高稳定性的特点。地震式传感器可直接固定在机壳上，安装应尽量靠近转轴，并尽可能避开母线出线等电磁场较强的位置，测点可选取在上、下机架和推力机架等处，各安装两个地震式传感器，分别对相架水平方向和垂直方向的振动进行监测。系统中采用光电式接近开关获取键相信号，确定整周期采样的基准点。此外，为便于分析振动与压力、工作水头和上、下游水位的关系，还应安装有功功率、压力、上、下游水位相应的传感器。

1.2 数据采集模块

在数据采集领域中，有基于多种PC机总线的PC-DAQ数据采集卡，也有基于VXI总线的各种数据采休模块。但是在GPIB、PC-DAQ和VXI三种虚拟仪器体系中，GPIB实质上是通过计算机对传统仪器功能的扩展与延伸；PC-DAQ直接利用了标准的工业计算机总线，没有仪器所需要的总线性能；而一次构建VXI系统需要较大的资金投入。PXI是NI公司推出的一种全新的开放性和模拟化仪器总线规范，它将Compact PCI的集成式触发功能与Windows操作系统结合在一起。在保留PCI总线与Compact PCI模块结构功能的基础上，增加了系统参考时钟与触发器总线等，加之熟悉的Windows环境，使得PXI系统更适合构建工业自动化测控系统。基于PXI总线规范构建的系统将PC机的性介比

优势和PCI总线面向仪器领域的扩展结合起来，成为一种新型的虚拟仪器系统。PXI除了具有VXI基本相同的性能外，还具有开发周期短、价格低、易于组建便携式自动测试系统等特点。

本系统中数据采集通过现场传感器将各个测量点的信号经过SCB-68接线端子盒将信号送到信号调理模块SCXI-1125（可编程隔离放大器）、SCXI-1141（可编程低通滤波器）、SCXI-1140（采样/保持放大器）进行信号调理；最后将经过信号调理的信号送到数据采集卡PXI-6052E（16路单端/8路差分模拟输入、采样频率333ksps、2路模拟输出、8条数字I/O线、2路24位计数/定位器）进行数据采集。数据采集卡PXI-6052E上的位计数/定时器的抗干扰能力不强，为了弥补这一不足，可利用LS7084芯片和电阻、电容组成一个滤波表路，消除由于噪声和振动等造成的干扰。

1.3 计算机控制模块

本系统采用了NI公司的组合式机箱PXI-1010（8个PXI/Comact PCI和4个SCXI插槽），零槽控制模块采用PXI-PCI833X。PXI-PCI833X采用MXI-3技术。MXI-3技术是一种PCI总线之间的连接技术，它采用标准PCI-PCI桥技术及1.5Gbps高速串口连接，为PXI控制引入了更加快速方便的扩展方式。MXI-3技术不仅可以进行PXI/Compact PCI机箱之间的连接，而且可通过主控计算机直接控制PXI系统。在本系统中将PXI-6052E数据采集卡采集到的数据通过PXI-PCI833X模拟和传输速率高达132Mbps的MXI-3光纤通信模块传送到现场计算机。MXI-3包含了一块插在现场计算机中的PCI MXI-3板卡和插在PXI-1010机箱控制槽内的PXI MXI-3模块，两板卡通过光缆相连，实现PXI-1010机箱内的各模块与现场计算机的通信。MXI-3技术可实现200m距离内信号传输，解决了现场计算机与数据采集模块之间信号远距离传输的问题。现场计算机通过DFE-530TXI网络适配卡与网络远程监控终端相连，实现远程监测。

2 系统软件结构

本系统选择NI公司的LabVIEW 6i作为开发工具，它采用图形化编程方案，也称为G语言。LabVIEW提供了丰富的函数及子程序库，从基本的数学函数到高级分析库（包括信号处理、函数、滤波器设计、线性代数、概率论与数理统计、曲线拟合、傅立叶变换、小波分析等），通过这些函数及子程序库，可以实现硬件系统的软件化，设计出符合技术要求的振动监测系统。本振动监测系统所用的数据采集卡为NI公司的产品，可以使用LabVIEW提供的大量数据采集子程序，无需为数据采集卡编制驱动程序。另外LabVIEW的附带网络工具套件，方便了远程监测的设计。

LabVIEW开发环境由前面板和流程图两部分组成。前面板是人机交互的图形用户接口，集成了多种常用的控制对象（如开关、按钮、示波器、指示器、定时器等），它相当于实际仪器的操作面板。设计时只需从控件库中选取所需的控件，并为它们设计合理的属性（例如尺寸和量程等）和具体放置位置。这些属性和位置可通知程序方便地调整。前面板的合理设计有助于振动监测系统功能的实现并方便操作。因此前面板应设置多段开关以实现不同的数据处理方法，前面板主要部门是显示图形和数据，可采用多窗口完成不同信号的同时输出，前面板还应有控制窗口和开关，以实现对振动监测系统的操作。流程图则是程序的'图形化源代码。设计时从函数库中选取所需要的函数图标，并按照数据在程序中传递的顺序把它们和控件图标的位置统一编排好，再用连线工具将图标连起来。系统软件采用模块化设计，其系统软件功能模块如图3所示。采用模块化设计有助于软件的设计和日后改进升级[5]。

2.1 “谱泄漏”现象的消除

在运用傅立叶运算对采样信号进行变换的过程中，会引起“谱泄漏”现象。为了消除“谱泄漏”现象，提高谱分析精度，在傅立叶变换时实现整周期截断，对振动信号实行整周期采样。整周期采样是指系统的采样频率动态地跟踪信号频率的变化，以确保在采样点数不变的情况下，采样周期均匀，所采信号周期完整。实现整周期采样的关键是如何将一个完整的周期信号均匀地分成K等分进行采样，其中K为一个采样周期内的采样点数。信号周期可以通过链相信号测得，两相邻链相信号的上升沿或下降沿之间即为一个采样周期。本系统中通过软件计算机出采样时间间隔来达到均匀采样的目的。此外加窗也是减小“谱泄漏”影响的一种有效办法，对某一个信号选择一个合适的窗函数。窗函数越宽，抑制杂波能力越强；窗函数越窄，分辨率越高。

2.2 信号处理和分析

利用LabVIEW的Signal Processing Suite专用软件包、函数和子程序库，对采集的水电机组信号进行处理和分析，主要包括非线性变换、数字滤波、时域分析、频域分析、小波分析、轴心轨迹分析等。

（1）非线性变换：由于传感器结构的特点，它输出的直流电压值不是完全线性的，这就造成了最终距离参数难以直接获得。采用同线拟合办法可以很好地实现信号的非线性变换。

（2）数字滤波：为了弥补硬件滤波器的不足，提高设备的可靠性，采用谐波去除法作为软件滤的方法。运用ReFFT函数对现场采集的信号进行快速

傅立叶变换，在生成的幅值频谱中将事先规定的截止频率以上的频率成分设为0，然后在运用ReInvFFT（）函数进行傅立叶反变换，求出滤波后的时域数据。

（3）时域分析：主要是时域波形显示（包括实时数据随时间变化图及局部放大及缩小）、波形特征值的计算（包括计算振动/摆度的峰峰值的均值、方差等）、相位分析（包括测点信号的相位随时间变化及不同测点之间的相位差）及其相关分析（通过两个量之间相关变化找出自变量如水头和开度等对震动/摆度的影响）等。

（4）频域分析：将整周期采集的信号进行快速傅立叶变换，得到振动信号的频谱。分析功能主要有幅值谱分析、功率谱分析以及频谱图（包括频谱分量的最大值及该最大值发生的频率）的计算和显示等。

（5）小波分析：傅立叶变换对水电机组振动信号中出现的奇异点有时难以准确识别，而这种奇异点的出现，通常又与故障的发生紧密相连，而小波分析在噪声消除、微弱信号的提取和图像处理等方面具有明显的优势，故小波分析也是水电机组振动信号分析的有具工具。应用小波分析技术对振动信号进行“细化和放大”，使振动信号更加清晰，以便于捕捉振动信号变化的特征点，尤其是对突变信号的处理优势明显。

（6）轴心轨迹分析：动态间隙显示、动/静态轴心轨迹曲线、动/静态谐波轴心轨迹曲线。

2.3 数据库的设计

数据库选用SQL Server ，利用LabVIEW 6i开发平台内带的SQL Tooikit工具包与数据库进行联系，通过SQL Toolkit可以访问大多数关系型数据库（如Oracle、Informix、Sybase、MS SQL Server等），用SQL语句可实现对数据库的查询、修改和增删等操作[6]。数据库分为实时数据和历史数据两种。实时数据主要是有机组配置及数据采集参数、各振动和摆度原始波形、各振动和摆度频谱数据、各振动和摆度特征数据、状态参数数据。历史数据主要有：机组正常运转的历史数据，按年、月、日等进行分档压缩存储；机组出现异常情况的历史数据，用于事故追忆。

通过在LabVIEW，系统平台上开发的基于PXI平台的水电机组振动监测系统集振动测试、数据采集、处理和分析为一体，能迅速而有铲地把水电机组在各种过程中的振动情况整理成资源和图形，如波特图、极坐标图、波形图、轨迹图、三维谱图、轴中心位置图、振动数据库等，以便对水电机组的振动情况分析和故障诊断。该系统已安装在多台水电机组上。运行结果表明，与传统监控系统相比，虚拟仪器方案不仅系统结构紧凑，构成灵活，且功能丰富，通过修改软件功能易于扩展，具有很高的性价比，监控过程可实现无人值守，通过联网可实现远程监控。因此基于虚拟仪器的水电机组振动监测系统具有十分广阔的应用前景。

篇3：基于虚拟仪器的水电机组在线振动监测系统

基于虚拟仪器的水电机组在线振动监测系统

关键词：虚拟仪器水电机组振动监测 PXI LabVIEW

随着我国水电事业的发展，大型机组的投产，各种容量的机组数量不断增多。如何保证水电机组运行稳定是人们普通关心的重要问题。而现阶段我国水电机组的检修一般实行计划检修制度，不管设备状态如何，到期必修，由此造成大量的资源浪费。这种传统的预期维修体制已经不能满足现代维修、运行、管理的要求。水电机组设备庞大、结构复杂、故障的诱因繁多，虽有一些故障不一定以振动形式表现出来，但统计资源表明，水电机组约有80%的故障或事故在振动信号中有所反映[1]，例如水电机组下机架的振动参数表示在转动部门的平衡情况，其振动的极频分量说明发电机电磁振动情况等。因此，振动监测是目前应用最为普通和有效的方法[2]，通过对这些振动信号的分析，充分发掘其中所包含的'故障信息，对水电机组的安全生活、决策具有重要的实际意义[3]。

1 系统硬件结构

1.1 振动传感器的选择及安装

水电机组与火电机

[1] [2] [3] [4] [5]

篇4：电动机性能虚拟仪器测试系统的设计与实现

摘要：将现代虚拟仪器技术应用于电动机性能并测试领域，可充分发挥虚拟仪器技术开发效率高、灵活性和兼容性强以及可重用度高的特点。设计并实现了多路并行电动机的在线测试系统；使用PID控制算法控制定标参量，通过TCP／IP协议实现了测试数据的远程共享和用户对测试系统的远程操控。

关键词：虚拟仪器电动机测试 PID TCP／IP

随着计算机技术的飞速发展，计算机辅助测试(CAT)系统在电机行业得到了普及[1]。现代虚拟仪器技术引入电动机测试领域后，通过虚拟仪器应用软件将计算机与标准化虚拟仪器硬件结合起来，实现了传统仪器功能的软件化与模块化，从而达到了自动测试与分析的目的[2]，大大缩短了系统开发周期，降低了系统开发成本。

本文设计的电动机性能虚拟仪器测试系统采用Na―tional Instruments公司的LabVIEW和LabVIEW RT虚拟仪器软件平台以及与其配套的PCI、SCXI和compactFieldPoint(cFP)虚拟仪器硬件来完成。该系统实现了多路电动工具性能的并行测试；可自动完成电动工具负载控制以及对扭矩、转速、功率及机体温度的实时监控；并且通过TCP／IP协议实现了测试数据的远程共享和用户对测试系统的远程操控。

1 系统组成及工作原理

1．1 系统组成

电动机性能虚拟仪器测试系统主要由主控机、实时监控模块、测功机以及待测电机四部分组成，如图1所示。

主控机为一台工作站，用于提供图形化用户界面，完成对系统软硬件的配置和设置，并实时更新各指标参量对时间的波形显示和经曲线拟合后的电动机特性曲线，最后完成测试数据的记录工作。与此同时，主控机还通过嵌入式PCI数据采集卡完成对非控制参量(如输入电压和工作电流)的测量工作。

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实时监控模块由两套cFP分布式I／O系统组成，通过TCP／IP协议与主控机通信，从主控机获得控制命令控制测功机，并将从测功机采集来的数据交由主控机处理。其中，模块A用于完成实时自动加载和控制指标参量的测量，并提供过载保护、紧急停车以及非法停机后的系统重建等应急措施；模块B用于对待测电机体表温度进行实时监测。

测功机有磁滞和磁粉两类，用于为待测电机提供负载，并由其内部的传感设备将待测电机在该负载下的扭矩、转速以及输出功率等待测指标参量转换为cFP实时监控模块A可以接收的电压信号。

1．2 工作原理

电动机性能虚拟仪器测试系统可在两种工作模式下运行：自动工作模式和手动工作模式。主要测试项目有：输入电压、输入电流、输入功率、扭矩、转速、输出功率、机体表面温度、机体内部温度等。

自动工作模式下，主控机首先等待用户完成软硬件的设置和配置，然后提请用户选择负载测试或定参数测试。负载测试下，用户需要设置负载曲线、负载时间、循环时间以及测试时间等测试参数；定参数测试下，用户可以选择指定扭矩、转速或者功率，并设置相应的定标参数、控制参数以及测试时间。完成以上步骤以后，就可以启动测试程序，测试系统即按照用户制定的负载自动加载，同时完成对待测电机的性能测试；或者通过一定的控制算法保持定标参数的稳定，并对该状态下的待测电机进行自动测试。系统运行的同时，用户可以在实时监测图表中观察各指标参量对时间的波形显示和经过曲线拟合后得到的电动机特性曲线，并可将感兴趣的图表导出存盘。当测试时间到时，系统自动终止测试。

手动工作模式下，系统工作原理与自动工作模式基本类似，只是系统不进行循环测试，而是提供一种交互式的测试环境；完成指定的测试项目后，等待用户的进一步操作。

2 硬件结构

篇5：电动机性能虚拟仪器测试系统的设计与实现

2．1 主控机

主控机选用一台工作站，内嵌了一块PCI-6052多功能数据采集卡和一块PCI-4070高精度柔性数字万用表卡。PCI-6052多功能数据采集卡前置了两块SCXI―1120信号调理卡和配套的SCXI-1327衰减终端，用于采集多路待测电机工作电压和工作电流的输入信号；PCI-4070高精度柔性数字万用表卡前置了一块SCXI―1127多路开关卡和配套的SCXI―1331多路接线终端，用于扫描多路待测电机的转子绕组，并根据相应算法测得电机内部转子温度。

2．2 实时监控模块

实时监控模块选用cFP分布式I／O实时系统，该系统具有FIFO数据队列、断电数据缓存、看门狗状态监测等单元以及高抗冲击性和高抗扰性等特性[3]，用于完成系统最核心的实时采集与控制功能。

采用cFP-作为实时系统控制器，支持Lab-VIEW RT实时模块，可脱离LabVIEW编程环境独立实时地运行下载到控制器存储器中的应用程序，并通过控制器内嵌的10／100Base TX以太网接口实现测试数据的网络共享。

cFP DI-330用于响应紧急停车开关、紧急关闭系统，防止意外事故的发生；cFP DO-403用于控制与各待测电机相连的固态继电器SSR，实现对工作电路的闭合或断开；cFP AO-210用于为测功机提供加载信号，控制待测电机所承受的负载，并在该负载下对电动机进行测试；cFP AI-210用于采集测功机输出的代表扭矩的电压信号，进而测量出待测电机实际的扭矩；cFP―CTR-502用于采集测功机输出的代表转速的TTL电平信号，进而测量出待测电机实际的转速。

2．3 实时测温模块

实时测温模块同样选用cFP分布式I／O实时系统。采用cFP-2020控制器，配以四块cFP TC―120 8通道热电偶模块，可直接用于测量标准J型热电偶，并提供相应的信号调理、输入噪声过滤、冷端补偿以及热电偶的'温度的算法，用于在电动机工作端实施前端数据采样，并利用基于TCP／IP协议的分布式I／O的网络共享功能实现数据的远程共享。

2．4 测功机

测功机是根据作用力与反作用力平衡的原理设计的[4]。当被测电机旋转带动测功机的转子旋转时，测功机转子切割磁力线产生电枢电流，并和磁通相互作用产生制动扭矩；同时测功机定子受到一个相反方向的扭矩作用，在测功机传感器轴上产生压应力，通过在传感器轴上粘贴电阻应变片，再将应变片接入一定的桥式电路就能将压应力的变化转化为电压信号，从而测量出扭矩的大小。

图4

电机转速的测量使用光电式转速传感器。在电机轴上装一个边缘有N个均匀分布锯齿的圆盘，使光线投射到光敏管上，当电机转动一周，就得到N个脉冲信号，测量脉冲信号的频率或周期，就可得到电机的转速。

这里使用了磁滞和磁粉两种类型的测功机。磁滞测功机扭矩测量范围相对较小，最大扭矩为10N．m，但转速较大，最大转速为1rpm；磁粉测功机扭矩测量范围较大，最大扭矩为20N．m，但转速测量范围较小，最大转速为4000rpm。两种类型的测功机互为补充，可适用于多种类型的电动机性能测试。

2．5 控制机柜

控制机柜主要由控制开关、开关电源、滤波器以及连接线路组成，为各路传感模块提供相应的多路接口，使之与待测电机连接，并提供安全的系统供电、激励注入、信号隔离、幅度调节以及风冷控制等辅助功能，为整个电动机测试系统提供强电支持及系统应急措施。

3 软件结构及算法

3．1 软件结构

电动机性能虚拟仪器测试系统总体采用一种基于TCP／IP协议的客户机／服务器(CS)结构。服务器架构为cFP分布式I／O体系，利用其内嵌的独立式实时系统实现目标参量的信号采样，并完成对目标参量的实时监测和控制；客户机则采用通用的PC机结构，借助TCP／IP协议实现与服务器之间控制参量及检测数据的通信，并提供GUI图形化用户界面，实现人机交互，完成控制参数的输入以及检测数据的分析、运算和图表显示。

图5

其软件结构框图如图3所示。系统操作流程为：上电后服务器自动启动存储器中内建的LabVIEW RT实时程序，并实时侦听客户机“开始测试”的命令；客户机开机运行电动机性能虚拟仪器测试主程序，完成用户登录、硬件配置、选择测试项目、设置测试参数后，启动测试程序；服务器侦听到客户端“开始测试”命令后，按照客户制定的硬件配置、测试项目以及测试参数开始实时控制及数据采集，并通过TCP／IP协议将实验数据发送给客户机；客户机发出PID控制命令，并对服务器发

送的实验数据进行分析处理，完成PID控制后，按照测试项目进行测试，分析处理测试数据，并以图表方式显示实验结果；完成测试后，客户机发出结束测试的命令，经服务器接收确认后，结束测试。

3．2 PID控制算法

本系统试验了位置式、增量式和积分分离式[5]三种PID控制算法。

3．2．1 位置式控制算法

位置式PID控制算法描述为：

其中，k＝0，1，2……为采样序号；u(k)为第k次采样时刻的计算机输出值；e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值；置KI＝KpT/TI为积分系数；KD＝KpTD/T为微分系数；Kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数；T为采样周期。

该算法的优点是原理简单、易于实现；缺点是每次输出均与先前状态有关，要对e(k)进行累加，运算工作量大，而且输出的u(k)对应的是执行机构的实际位置，如计算机出现故障，u(k)的大幅度变化会引起执行机构位置的大幅度变化。

3．2．2 增量式控制算法

增量式PID控制算法描述为：

△u(k)＝Kp△e(k)+KIe(k)+KD△e(k)-△e(k-1)]其中，△e(k)＝e(k)-e(k-1)。

该算法的优点是：由于计算机输出增量，误动作时影响小；当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号锁存作用，故仍能保持原值。控制增量△u(k)的确定仅与最近k次的采样值有关，易通过加权处理而获得较好的控制效果。其不足之处为：积分截断效应大、有静态误差、溢出的影响大。

3．2．3 积分分离式控制算法

积分分离PID控制算法描述为：

当｜e(k)｜>ε时，即偏差值｜e(k)｜比较大时，采用PD控制，可避免过大的超调，又使系统有较快的响应。

当｜e(k)｜≤ε时，即偏差值｜e(k)｜比较小时，采用PID控制，可保证系统的控制精度。

图4所示为三种PID控制算法的阶跃响应曲线。经过试验比较，采用积分分离式PID控制算法将过渡过程时间由位置式的19．5s和增量式的16s缩短为12s；最大超调量由位置式的36％和增量式的25％缩小为18％，具有超调小、响应速度快、稳定性能好、遇干扰回复能力强的特点。

4 性能评估

该电动机性能虚拟仪器测试系统实现了对多路并行电动工具的负载控制以及对扭矩、转速、功率以及温度的实时监测，并利用TCP／IP协议实现主控机对多路并行工位的远程操控以及测试数据的网络共享；高精度数字万用表模块DMM-4070利用四线制测量电动机内转子绕组，测量精度可以达到6 位；功率分析仪使用高精度功率传感器模块，测量精度可达0．3％。

该系统具有测量精度高、运行稳定性强、并行效率高等优点，已被运用于工业现场中，实际使用运行稳定可靠，适用于多种类型的电动机耐久性和综合性能测试。图5所示为实验测得的某电动机特征曲线，其中横轴为扭矩。图中还标出了转速曲线、功率曲线以及电流曲线。

篇6：基于虚拟仪器技术的激光接收器测试系统

基于虚拟仪器技术的激光接收器测试系统

本测试系统通过先进的虚拟仪器技术和LabVIEW 7.0编程，实现了对传统光学测试仪器的'控制并利用信号源和NI PCI-6104E多功能采集卡进行激光接收器模拟仿真；该系统能实时地采集和分析相关测试数据，并能显示、保存和打印最终测试结果。由于使用选进的LabVIEW编程开发软件和虚拟仪器技术，该系统成为能自动化检测激光接收器各项参数的综合测试系统。实际的测试结果证明，这种方法实用、方便，测量精度高。

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篇7：基于虚拟仪器技术的手机翻盖耐久性测试系统

摘要：本文介绍一种手机翻盖耐久性测试系统。该系统由National Instruments公司的PXI-8186控制器、PXI-7344、UMI-7764、YASKAWA公司的SGDL-04AS伺服单元和SGML-04AF12伺服电机以及基于虚拟仪器的用户界面组成。该测试系统使用虚拟仪器使系统规模最小化，提高系统的稳定性且易于维护和扩展，操作界面友好。

关键词：虚拟仪器；测试系统；伺服单元；伺服电机

Key words: Virtual Instrument; Measurement system; Servo Pack; Servo Motor

手机翻盖耐久性测试即将待测翻盖手机重复开合预设的次数，然后观察手机的各部分性能是否完好，这在翻盖手机的生产过程中是相当重要的一环。以往采用气动方式的系统运行速度较慢（约为每2秒1次）且操作界面不够友好。本文介绍的基于虚拟仪器技术的手机翻盖耐久性测试系统采用NI Motion 控制模块控制伺服电机进行驱动，运行速度可达到原来的4倍多且同时可对4部手机进行测试，而采用National Instruments公司的虚拟仪器（LabVIEW）进行开发，使操作界面非常友好。

在测试过程中操作人员针对每批不同型号的手机在初次测试时可使用微调功能将各个参数调整至理想值，并且可将这些参数存成相应的配置文件以备以后测试同样型号手机时使用，这样大大减少了每次测试时的重复操作，提高了系统的自动化程度。

1. 系统原理及概述

1.1 运动控制原理

运动控制的原理简单来说即由运动控制模块发出控制信号，如脉冲信号和模拟电压量等，这两种控制信号分别对应于位置控制模式和速度控制模式，伺服电机在相应的模式下接收到控制信号便能按照预定的方式运动。但是电机的运动存在误差，特别在模拟的速度控制模式下，因此需要电机发出编码信号反馈到运动控制模块，使运动控制模块能够根据实际的运动情况做出相应的补偿来消除累计误差，这一点对于本系统这样需要长时间连续运行的系统来说尤为重要。下图为运动控制的简单原理示意图：

1.2 系统概述

本系统利用NI Motion 控制模块对伺服电机运动进行速度控制，按照用户设置的参数驱动相应的拨片、拨杆控制手机翻盖的开合。整个系统框图如图2所示：

整个系统由两部分组成：运动控制部分和测试平台部分。运动控制部分由NI PXI控制器和运动控制模块NI PXI-7344发出运动控制电压信号V-REF，通过NI UMI 7764接至伺服电机驱动器。测试平台部分包括两套独立的平台，每套平台有一组电机控制4台待测手机翻盖的开合（见图3）。全部4台电机的控制信号分别由NI PXI-7344的4轴提供。每台电机上均有编码信号反馈至运动控制模块以形成闭环控制回路，另有Forward Limit和Reverse Limit信号反馈至运动控制模块用以确定系统的初始位置以及防止电机运动超出极限位置。

2. 硬件连接

硬件配线包括伺服单元与伺服电机的连接、运动控制模块与伺服单元的连接。其中伺服单元与伺服电机的连接有专用的电缆和相应的端子定义，与伺服单元和伺服电机的的类型有关。下图是运动控制模块与伺服单元的`连接以及限位信号的连接图：

图4 运动控制模块与伺服单元及限位信号连接示意图

3. 软件结构和功能

整个软件是在National Instruments公司的面向对象的图形化编程语言LabVIEW 7.1下开发完成的，从上到下分为三层：高层通讯层，中层运动控制层，以及底层的驱动程序和开发环境支持。

底层开发环境和驱动程序接口是由软硬件厂商提供的，包括LabVIEW 7.1图形化编程环境和运动控制板卡的驱动程序。中层的运动控制层是在LabVIEW环境下编程实现电机的运动控制，包括电机运动位置、速度以及对于本系统整体的运动流程。高层的通讯层是用于将用户设置的各项参数传递到运动控制层，同时将用户所需信息如当前运动速度、剩余时间等反馈到用户界面。

4. 基于虚拟仪器的操作界面

本系统使用LabVIEW 7.1设计了友好的操作界面，如图5所示：