（机械电子工程专业论文）基于lab+view的故障转子测试与诊断系统.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 基于l a bv i e w 的故障转子测试与诊断系统 摘要 随着现代工业的发展，旋转机械正朝着大型化、连续化、高速化等方向发展。 这一方面提高生产率，降低了成本，但另一方面也使得故障发生的可能性和造成 的经济损失成倍的增加。因此，对转子的状态监测和故障特征识别具有重要的经 济效益和社会效益。 本文以转子系统为主要研究对象，首先阐述数据采集与处理中一些基本的理 论与知识。在此基础上，采用l a bv i e w 的图形化语言( g 语言) ，编制自己的测试 与诊断软件，并通过实验了解和掌握转子过l 临界转速时的现象和部分单一故障的 振动特征。本文的主要工作如下： 1 编制在线监测及数据处理等程序。在线监测等测试程序控制传感器测量振 动点的位移信号，实现的数据采集与保存等功能；数据处理程序主要计算信号时 域指标( 最大值、最小值，均值，均方值有效值等) 和利用f f t 、相关与卷积、三 维谱阵等方法分析信号。 2 对伴随故障转子的强烈振动信号，进行振动的时域分析与频域分析，并绘 出相应的曲线，找出引起振动的原因，分析得出转子的故障类型，总结单一故障 转子的频谱中各阶分频或倍频等波形征兆。 3 在转子模拟实验台上，做了许多不同类型的转子故障实验，其中包括临界 转速、动平衡、油膜振荡、支座松动和碰摩等，通过实验的手段，验证得出的故 障类型的正确性与准确性。 4 应用经典的影响系数法理论，根据虚拟仪器的概念，编写动平衡的算法程 序，通过实验验证，软件具有友好的界面、简单的操作和较高的实用性。 关键词虚拟仪器g 语言在线监测动平衡非线性动力学碰摩支座松 动油膜振荡 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e t e s t i n ga n dd i a g n o s t i cs y s t e mo ft h e f a u l t sr o t o rb a s i n go nl a bv i e w a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r y , r o t a r ym a c h i n e r yi sg o i n gf o r w a r d t o w a r d st h ed i r e c t i o no fl a r g e s c a l e ，c o n s e c u t i v ea n dh i g h s p e e d ，w h i c hn o to n l yl e a d s t oh i g h e rp r o d u c t i v i t ya n dl o w e rc o s to no n eh a n d ，b u ta l s oa u g m e n t sp r o b a b i l i t yo f r o t o rf a u l t sa n de c o n o m i cl o s i n g ，t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tf o re c o n o m i ca n ds o c i a l b e n e f i tt om o n i t o rt h ew o r k i n gs t a t u so fr o t a r ym a c h i n e r ya n di d e n t i f yt h ec h a r a c t e r so f r o t o rf a u l t s 。 t h ep a p e re x p a t i a t e ss o m ee s s e n t i a lt h e o r ya n dk n o w l e d g eo fd a t aa c q u i s i t i o na n d s i g n a lp r o c e s s i n g + o nt h eb a s i so ft h i s ，ak i n do fp r o f e s s i o n a ls o f t w a r ei sm a d eo nt h e p l a to fl a bv i e wf o rm e a s u r i n gs i g n a l sa n dd i a g n o s i n gr o t o rf a u l t s t h ev i b r a t i o n p h e n o m e n o nw h e nr o t o rs y s t e mr u n s a tc r i t i c a l s p e e d si s r e s e a r c h e da n ds o m e c h a r a c t e r su n d e rs i n g l ef a u l ti se x a m i n e db ys o m ee x p e r i m e n t sw i mt h ee x a c ts o f t w a r e t h em a i nw o r ko f t h ep 印e ri sa sf o l l o w ： t h ea u t h o rc o m p i l e sa na p p l i c a t i o np r o g r a m ，i n c l u d i n gt h em a l t i m ei n s p e c t i o n , d a t a - p r o c e s s i n gp r o g r a m sa n ds oo n t h ef u n c t i o n s ，s u c ha sg a t h e r i n ga n dp r e s e r v i n g t h ev i b r a t i o nd i s p l a c e m e n to fc e r t a i 蘸p o s i t i o l l so nt h ef a u l t sr o t o r , c a r tb ep u t t e di n t o r e a l i t yt h r o u g h t h e t e s t i n gp r o g r a mc o n t r o l l i n ge d d y s e n s o r s h o w e v e rt h e d a t a - p r o c e s s i n gp r o g r a m sc a l c u l a t e st h ea s p e c t s i nt h et i m ed o m a i n ，s u c ha st h e m a x i m a lv a l u e ，t h em i n i m a lv a l u e ，t h em e a nv a l u e ，t h er m sv a l u e ，e t c ，m o r e o v e rt h e d a t a - p r o c e s s i n gp r o g r a m sa l s oa n a l y s e st h es i g n a l sb yt h em e a n ss u c h a sf f t c o r r e l a t i o na n dc o n v o l u t i o n , 3 dw a t e r f a l ls p e c t r a 2 i ti sc o m m o n l yr e c o g n i z e dt h a tt h ea p p e a r a n c eo ff a u l t su s u a l l ya c c o m p a n y w i t ht h ei n t e n s ev i b r a t i o n t h r o u g ht h e 出a 黼c u r v ew i t ht h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s b o t hi nt h et i m ed o m a i na n di nt h ea m p l i t u d es p e c t r ad o m a i n ，t h er e a s o no fv i b r a t i o n 凇b ee a s i l yi d e n t i f i e da n dt h et y p eo fc a nb ee n s u r e d 。i nt h ee n d ，w ec a l lh a v ea g e n e r a lc o m m e n ta b o u tt h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h er o t o rf a u l t s o nd i f f e r e n t f r e q u e n c i e s 3 t h ea u t h o rh a sd o n el o t so fe x p e r i m e n t sa b o u ts i n g l er o t o rf a u l to nt h er o t o r l a b o r a t o r y s i m u l a t i o n e q u i p m e n t ，i n c l u d i n g c r i t i c a l s p e e d ，d y n a m i c a lb a l a n c e ， o i l w h i p p i n g p e d e s t a ll o o s e n e s s b u m p st o u c h e so f t h er o t o rs y s t e m ，a n ds oo n t h e n ， t h ec o r r e c t n e s sa n dv e r a c i t yo ft h ec a nb ev e r i f i e db ye x p e r i m e n t s 珏| 末船大学颈壬学位论文 a b s t r a c t 4 。a c c o r d i n gt ot h ev i r t u a li n s t r u m e n tc o n c e p t ，, h ea u t h o r a l s ow r i t e st h ep r o g r a m o i lt h ea r i t h m e t i co i lm a k i n gt h er o t o re q u i l i b r i u m ，w h i c hh a st h ee x c e i i e n c eo ff r i e n d l y i n t e r f a c e ，s i m p l em a n i p u l a t i o na n df a v o r a b l ep r a c t i c a b i l i t y k e yw o m sv i r t u a li n s t a l m e n t ，g r a p h i c sl a n g u a g e ，n o n l i n e a rd y n a m i c s ，r e a l _ t i m e i n s p e c t i o n ，d y n a m i c a lb a l a n c e ，r u b - i m p a c t ，p e d e s t a l l o o s e n e s s ， o i l w h i p p i n g * 独创性声明 本文声明所提交的学位论文是在导师指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包括本人获得其他学位而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：撅 日期：勘彬z ，力 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北太带硕士学位论文 第一鬻绪论 第一章绪论 l 。t 设备故障麴耢究撇提 对设备故障的研究实际上自从工姚生产以来就存在。早期人们依搬对设备的 瓣攘，对声奁、摄麓菰悫特薤麓感鼹，冤工爱豹经凝，瑟以爨藜密菜些敬簿靛 存在，并提出相应的修复措施。但是艘障诊断技术作为- f 3 专门的学科，则魑上 整冤6 0 年代以焘考发凝莛皋麓。最孚舞震藏辩诊颟技零溪究 l 是美鬟，美黧j 9 6 1 年开始掰波罗计划盾岛现了一系列翡设备故障德使1 9 6 7 年程荚宇航妫( n a s a ) 倡 警下，盎美蘑海军磷窕塞( o n r ) 主持荚濯攫械簸簿颧黼小筑 狱船囝，积掇熬零敖 障诊龋技术的磅究开教，嚣翦燕在搿 究摧霞浚备静孝波麓( a c o u s t i ce m i s s i o n ) 诊甑 技术 在聂本，在莱贱民用工她，妇钢铁、化工、铁路等郏f 1 发嶷锻快，占窍芸 静优势，健稻密韬注褫键秀穗既囊向，获毅等l 送渚豫爨薪技零，骜力发展蠡泛夔 诊断技术，研制自己的诊断仪器；蕤国农上世纪6 0 年代朱7 0 年代初，以 r a c o l l a c o t t 淹善静荚霞辊藏僳健中心弼，k 。m e c h a n i c a lh e a l t hm o n i t o r i n gc e n t e r ) 开始诊断技术的恶开发研究；在欧洲旗它一些图家也肖很大的进展，虽然在广度 主不大，握蹙程菜一方嚣其蠢特色或占赣毙强袋，麴璇典戆s p m 鞭承检测技术， 挪威的船舶诊断技术，丹麦的振动和声发射技术等等 4 1 。 簸运l 番多年亲，敬薅诊龄接拳褥爨了长怒簸发袋，在溃翅汽轮凝、莲缀襁、 较祝和箕谴许多重要梳梭设备中褥到了广泛畿瓣。据溪黔一赎专家髂计，莱藤诊 凝技术的投入耱产出之毙一般必1 ：1 0 。霜北，采越遽稚技术瓣子辍谖挺娥设番安 全可纛运行，避 孬掩怒众鼗瓣经凑效藐，其蠢十分熏簧懿意义。遗年来，藏内癸 的秘技工作嚣霞致力予般障诊崾方法、技术与诊叛设餐的研究，取褥了许多成粱， 疆窭了获色诊断、模糊诊麟、镶经瓣络诊繇、枣滚诊辩等，并在忿蘧蕊上磷麓遗 多种诊断设备，应用于工程实际，取得了重大的经济效益和社会效髓。 瓣羞科举技术蘸发添，麓转祝辕歪凌蹇瀵、重载秽塞韵弦方蠢发鼹，鼹淡转 机械程速度、容量、效率等方颇提出越来越商的要求。在旋转机槭转子系统，常 冤静典蘩鼗簿窍：不鼍王爨、磁摩、支瘫蹬裁、涵袋涡渤、转予裂纹、秘热弯麴、 刚度非对称、不对中、滴膜掇荡、旋转失速和喘振、摩擦与松劝、密封失穗、齿 轮与滚动辘承敬瘴等。为了麸瑾论上对鼓漳熬产生概理骞嚣舆俸豹辩器，逡褥镬 诊断技米蠢爨禽的蒜次发震，避凡年来，科技王 乍者转融对敬降季强疆鹣骚竞。t 9 9 7 年褒奖溪芝麴褥召开靛隰黪转予动力学会议上，美国王程院院士ee e h r i c h 缀整了 对转予系统的陲l 髓动力学行为躲潦入硬究袋巢：荚滏戆a m u s z y n s k a 对涵膜嚣 荡的虮理进行了较深入麴磺究；日本的t i n a g a k i 教授等研究了转予系统的运行的 稳定健霜题；器翦在敞障藏爨酶磁究方瑟，融发表7 大量鹣论文，这涝臻蠢多 对 1 东黯大学矮士擎位论文 第一章绪论 于救噤枫璎熬硬究十分重视。但是，这些磷懿中的试验结爨较少，主要愿毽是出 于试验醍究爨鸯一定瓣难度。另鲐，对孪生或多耋数障熬骚究雯l 受少。 蜒年来对转子非线性敝障的理论研究非常活跃，也得出了许多毅的故障蟪征 和诊断方法。但最蜜闵的仍然是基于嗡盥频谱分群麴振动( 扳蠛、加速度蠛僮) 监测 的诊断方法。新出现的信号处理披术，如小波、神经网络等都被用于转子系统的 故障诊断并联得了一定效聚，但看来还无法取代德统的时频信号处理方法。国内 外豁研制了一些转子敝障诊断系统，但相比之下阑内系统在可靠性镣方面迸有差 瑟，戳荭靛謦外系统，茏獒燕茭营b e n t l y 系统在我国占了徽大煞市场份赣。 麓翦我鬣对转子动力学研究静重点是转予系统韵状态溢溯稻藏簿诊断及转予 系统瓣菲线燃振动、分叉与滋涟，每年发表弱相关文章占了转予动力学磺究文章 熬绝太多数。戈其是有关转予磁黪、裂纹霹轴承瓣貘力弓 越黝分叉秘涯淹黝疆突 是当翦研究的热点，在这方蘑也取褥了不少成果，基本摸清了分叉a 趣应的特点和 进入混沌熬邋鼹形式。然褥我国态旋转极攘转子系统硬究方鞭的现坎和存在躲淘 题：缺乏赫水平的实用的分析和监测系统。尽管我国学者在转子动力学的基础研 究方巅取得了很多成聚，且t 魏研制了一些用于生产实际的转予动力学分析和靛铡、 诊断系统，但在我阁工业界占主导地位的仍怒国外的产品。敝尽快研制和推广高 水平魏国产转予动力学分斩和益灏、诊断系统是商美专家学者义不容辞的职责。 遥凡年来，随着三映工程豹开工建设，国家程自然科学基金蘧大项鞠、凿家霾大 萋勰搿究矮嚣秘三姨芙键技术研究磺嚣中郡裂入了转子动力学懿研究谋怒，投入 了夫豢的经费，扶 悉镶我溺转予动力学熬疆究进入了个耨煞繁繁黧l l ”。 转子系统的故障特点怒多瓣故障具有些相月撼，多葶申原因w 能造成同一 故障，一般不悲将搬缀磐体采检查故障，停攀次数受到鼹制以及放跨发黢缓慢霉 长期观察等。，上述特点加大了旋转机械转子系统状态监测和敞障诊断的难度。目 前对转子系统故障诊断豹研究主要集中在三个方蘧； ( 1 ) 从理论上分析各类故障，尤其是非线性故障的特性并确定故障特征爨； f 2 ) 利阑先避的信号采集和处理按米提取故障特征； ( 3 ) 研制故障诊断软、硬件系统和建立专家库，并应用予实际转予系统。 1 2 虚拟仪器鸶l a bv i e w 4 - 7 。2 。 虞擞仪器v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 撅述 趱瓠仪器楚n i ( n m i o n a li n s t r u m e n t sc o ，) 蓠先撬积的截新概念n 纛攒仪器完整 的定义包捂两方舀的含义：一方面燕指种程通丽的计算机平台主，甭户裰掭自 己静翥求采定义积设计仪器鹣溅量翡貔，瑟鸯传统独立仪器麓能的疆伴与软 警熬 组合；莠方褥是一个l a bv i e w 静软俘模块，有一个露户接鞠静蓊瑟援帮框盈 2 东托大学硕士学位镑文 第一章绪论 程序组成。国内通常所说的虚拟仪器指的就是指前者。 虚叛仪器豹獠念实际上是一稀程净设计愚悫，这种稔想可以简单静液述为： 一个v i 可以由前丽板、数据流框图和图标连接端口组成，前面板相当于舆实物理 仪器鹃搽佟藩鬏，数据流穰图就怒稳当予仪器熬嚷路结毒霹，蓊瑟扳帮数据流框嚣 有备自的设计窗口，而国标连接端口则负责前面板窗口和框图窗明之间的数据传 竣与交换。随羞瑷代 l | | 试与仪器技术熬发痿，嚣耱虚搭仪器援念墨经发鼹残失一 种创新的仪器设计思想，成为设计复杂的测试系统和测试仪器的主要方法和手段。 虚拟仪器是秽功能j 毫 义上的仪器，其核心楚最少鬃的硬件模块支持下，熙 软件实现传统仪器数据采集、存储、分析、显示的功能。它不强调仪器物理上实 现形式，打破了生产厂家定义仪器机箱的约束，用显示在c r t 上的软面板代替膝 来的仪器颟板，用键盘、隧标对测爨的参数及避稔迸行控制。虚拟仪器f 系统) 给用 户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。用户( 而不是仪器厂家) 可以随心所欲 魂粳据鸯嚣静需求，设诗鑫己翡仪器系统满是多耱多样豹应弱需浓。我们繇需簧 的只是一毖必要的硬件加上通用计算机，利用丰甯的软磺件资源，可以大大突破 健绫便器在数据戆处理、浸示、传递、程馕等方藤载骚剿，这燮传统仪器无法魄 拟的效果。 虚拟仪器的实矮是将琢以完成传统仪器功能豹硬件裰最薮的计算瓤软传援零 充分结合起来，用以实现并扩展传统仪器的完成数据的采集、分析及显示。虚拟 仪器系统技术的基础是计转枫系统，核心是软 牛技术。农国外，荚国国家仪器公 司m a t i o n a li n s t r u m e n t s ，简称n i ) 擒出的口号：t h es o f t w a r el s t h ei n s t r u m e n t s ( 软件 就是仪器) ；在国内，同样也流行麓类似的口号一实验室掇着走。所以通常也把用 包括g 语言( g r a p h i c a ll e a a g u a g e ) 在肉静高级语言编稍的可褫亿瓣控系统程净藏为虚 拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t s ，简称v i ) ，而v i 作为威拟仪器的简称。 霪攒仪器系统楚不繇萃薪懿诗舞瓿技术与仪器菝术麓结合懿产辏，蹩现霞纯 测试技术与系统的发展趋势。它利用计算机系统强大的计算功能，结合专用的硬 孛f 毽括数据采集卡、p l c 、串雩亍设备、图像采集卡、圈像控裁卡、运动控制卡等) ， 大大地突破了传统仪器在数据处理、显示、传送、存储等方面的限制，使用户可 以方便地对其进行维护、扩展和嚣级等。 构造一个虚拟仪器系统，我们可以利用现有的计算机，加上特殊设计的仪器 硬传和专用软件，组成既商普通仪器的基本功能，又有一般仪器所没有的特殊功 黥的高档、低价酌薪壅仪器。虚拟仪器盘计算税、应用软俘和致器硬件三部分构 成，通过软件将计算机硬件资源与仪器磺件有机融合为一体，把计算机强大的数 据处理畿力帮彼器硬 串的浏量、按潮髓力缩台在起，遴遭软 孛实魂霹数据静爨 示、存储以及分析处理。艇本硬件确定之后，就可以通过不同的软件实现不同的 臻麓。软 警是寝掺仪器系统戆关键，掰以提高软传壤疆效率迄裁簸了一令 常魏 实的问题。目前国内外能够实现送种功能的软件不少。 东筑大学硕士擘位论文 第一章绪论 在国际上，制造的控制和检测全部使用计算机。艨拟仪器应用很广，美翻d s p 公司豹d a d i s p 较肄以实验焉数据分析帮表示觅长；美国n i 公司的系弼虚拟仪器 开发平台( l a bv i e w 、l a bw i n d o w s c v i 、v i r t u a lb e n c h 和c o m p o n e n tw o r k s ) ；美 国q u a t e c h 公司瓣d a s l a b 软 串魏秘惠酱公霉戆v e e 软件平台都建霹以搭建应 拟测试系统的软件平台，以图形化编程和界砸灵活见长；其中，美国n i 公司的l a b v i e w 较俘功缝最为宠善，最戆体瑰嶷毅仪器敷风椿，著显露蔻在敬美等发达莺家 应用相当广泛，在中国高校中也正在迅速普及。在圈内，华中理工大学的v 1 9 8 虚 拟仪器系统鞠啥尔滨工业大学的仪器王，均| 三l 虚拟的单个仪器或仪器库见长，但 是我国的仪裘业和圈际先进水平相麓很大，对新技术的应嗣不够广，因而波该大 力推广该产品，这样就可以发挥我围的人口优势，节约资金，提商生产率，降低 生产成本，鼹高产潞质量。 ，2 ，2 a b v i e w 概述 l a bv i e w 是由美国n l 公司开发的、优秀的图形化编程开发平台，是l a b o r a t o r y v i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h 的简称，静是实验嶷虚襁仪器工程平台， 是目前应用最为广泛的、功能最为强大的虚拟仪器工程平台，能够大大的缩短开 发溺期，海低开发藏本。可良说，歪是由予l a bv i e w 静戒确，方镶褥虚熬仪器的 概念得以为举术界和工程界广泛接受。 l a bv i e w 是一耱霆影繇夔绽穗溪言( g 潺砉) ，魄是g 谖言基舔予其它麓缀语 言最显著的特征。与v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、l a bw i n d o w s c v i 等编程语言不同， l a bv i e w 用黧标、遗线和握图代替传统的程序代码，菇盈l a bv i e w 鼹运用的设备 图标与科学家、工程师们常用的大部分图标基本敬，这使得编程过程和思维过 程非嚣的相似。 g 语言是一种邋合应潮于任何编程任务、其有扩展数据瘁的编税语言。和b a s i c 或c 语言一样，g 语言定义了数据模型、结构类型和模块调用语法规则等编程语 言的基本要索，在功能完整和应甭灵活注上不逊予任侮高级语言，阉簿g 语言丰 富的扩展函数库，为用户编程提供了极大的方便。这些扩臌函数库主要是顾向数 据聚集、g p i b 窝串黧仪器接裁淡及数攥分褥、数据涅示露数据存镶。g 逶富还篷 括常用的程序调试工具，比如允许设置断点、单步调试、数据探针和动态驻示执 行浚程等功熊。g 添言与爨统编程滠言最大瓣差别在予绽毯方式，一般毫级语砉 采用文本编程，而g 语言采用图形化编程方式。 g 语言黪典型代表l a bv i e w 是沓毒可扩震函数痒和予稷序库的通用程葶设诗 系统。他提供了用于g p i b 设备控制、i 总线控制、串口设繇控制、数据分祈、显 示和存储的皮用程序模块；l a bv i e w 可以方便的调用w i n d o w s 动态链接库和用户 自寇义的动态链接撵中的函数；l a b v i e w 还提供了c 玳( c i n t e r f a c e n o d e ) 节点蔹褥 用户可以使用由c 或c + + 语言( 如a n s ic ) 编译的程序模块，使得l a bv i e w 成为一 4 东北托学硕士学位论文 第一幸绪论 在国际上，制造的控制和检测全部使用计算机，虚拟仪器应用很广，美国d s p 公司的d a d i s p 软件以实验后数据分析和表示见长；美国n i 公司的系列虚拟仪器 开发平台( l a bv i e w 、l a bw i n d o w s c v i 、v i r t u a lb e n c h 和c o m p o n e n tw o r k s ) ：美 国q u a t e c h 公司的d a s l a b 软件包和惠普公司的v e e 软件平台都是可以搭建虚 拟测试系统的软件平台，以图形化编程和界而灵活见长；其中，美国n i 公司的l a b v i e w 软件功能最为完善，最能体现虚拟仪器的风格，升且目前在欧美等发达国家 应用相当广泛，在中国高校中也正在迅速普及。在国内，华中理工大学的v d 8 虚 拟仪器系统和哈尔滨工业大学的仪器王，均以虚拟的单个仪器或仪器库见长，但 是我国的仪表业和国际先进水平相差很大，对新技术的应用不够广，固而应该大 力推广该产品，这样就可以发挥我国的人口优势，节约资金，提高生产率，降低 生产成本，提高产品质量。 122l a b v i e w 概述 l a bv i e w 是由美国n i 公司开发的、优秀的图形化编程开发平台，是l a b o r a t o r y v i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h 的简称，即是实验摩虚拟仪器工程平台， 是目前应用最为广泛的、功能最为强大的虚拟仪器工程平台，能够大大的缩短开 发周期，降低开发成本。可以说，正是由于l a bv i e w 的成功，才使得虚拟仪器的 概念得以为学术界和工程界j 。泛接受。 l a bv i e w 是一种图形化的编程语言( g 语言) ，也是g 语言区别于其它高级语 言最显著的特征。与v i s u a l c + + 、v i s u a l b a s i c 、l a b w i n d o w s c v i 等编程语言不同， l a bv i e w 用图标、连线和框图代替传统的程序代码，并且l a bv i e w 所运用的设备 图标与科学家、工程师们常用的大部分图标基本一致，这使得编程过程和思维过 程非常的相似。 g 语言是一种适合应用于任何编程任务、具有扩展数据库的编程语言。和b a s i c 或c 语言样，o 语言定义了数据模型、结构类型和模块调用语法规则等编程语 言的基本要素，在功能完整和应用灵活性上不逊于任何高级语言，同时g 语言丰 富的扩展函数库为用户编程提供了极大的方便。这些扩展函数库主要是面向数 据采集、g p i b 和串型仪器控制以及数据分析、数据显示和数据存储。g 语苦还包 括常用的程序调试工具，比如允许设置断点、单步调试、数据探针和动态显示执 行流程等功能。g 语言与传统编程语言最大的差别在于编程方式，一般高级语言 采用文本编程，而g 语言采用图形化编程方式。 g 语言的典型代表l a bv i e w 是带有可扩展函数库和子程序厍的通用程序设计 系统。他提供了用于g p i b 设备控制、i 总线控制、串口设备控制、数据分析、显 示和存储的应用程序模块；l a b v i e w 可以方便的调用w i n d o w s 动态链接库和用户 白定义的动态链接库中的函数；l a bv i e w 还提供了c r n ( ci n t e r f a c en o d e ) 节点使得 用户可以使用由c 或c + + 语言( 如a n s io 编译的程序模块，使得l a bv i e w 成为一 用户可以使用由c 或c + + 语言( 如a n s io 编译的程序模块，使得l a bv i e w 成为一 4 东北大学硕士学杖论文 第一荤绪论 个开放的开发平台。l a bv i e w 还纛接支持动态数据交换( d d e ) 、结梅化查询语言 ( s q l ) 、t c p 和u d p 网络协议笛。此外，l a bv i e w 还提供了专门盟于程序开发敷 工具箱，使得用户能够很方便地设置断点，动态地执行程序来非常直观形象地观 察数据的传输过程，以及方便地进行调试。 l a bv i e w 的程序魑数据驱动的。数据流的程序设计规定，一个目标只有当它 的所有的输入有效时才能执行：而目标的输出，只有当它的功能完全时刁+ 是有效 的。这样，l a bv i e w 中被连接的方框图之澜的数搿流控制着程序的执行次序，而 不是橡文本程黪受掰执行联序约束。飘雨，可疆通过褶互连接功畿方框图快速简 洁戢开发应愿程序，甚歪逐_ 霹以有多个数爨逶邀同步运行。 l a bv i e w 牧运行极剑就宏漫上漤邑经不霉是传统上熬冯诺伊曼计算棍体系 结构的执行方式了。从传统的计算孝几语言( 如c 谬言) 中的顺序执行缕掏在l a b v i e w 中被并行结构所代替；从本质上讲，它是一神带有图形控制流结构的数据渡模式 ( d a t af l o wm o d e ) ，这种方式确保了程序中的函数节点( f u n c t i o nn o d e ) 只有在获得 它的全部数据后才能够被执行。也就是说，在这种数据流程序的概念中，程序的 执行是靠数据流驱动的，它不受操作系统、计算机等因索的影响。 组建现代化瓣羹系统的成败在很大程度上取决于软件平台、开发工具以及相 关磴件设备的选择。在软件体系结构的各个层次上，形成完整的设备驱动程序、 系统开发平台、佼鼹支持稻应用软件互相支撑翡格蜀。与传统仪器福院，碰拭仪 器奁智熊亿程度、姣理链力、一陵能徐格魄露哥操佟牲等方甏垮具鸯爨显豹优势。 在套类的工程实践中，专业拳斗礤人员耗费了大量豹时阚在编写程彦代码，己a b v i e w 的图形化开发平台成功她鳞决了这一个问题，把广大的工程魉姆科学家从繁重螅 编程工作中解放出来，突破了基于文本的传统离级语言的框架，使碍编程变得更 为直观、方便和高效。 l a b v i e w 在众多的领域得到了广泛的应用，包括航空、通信、汽车、半导体、 生物医学等众多领域，从简单的仪器控制、数据采集到尖端的测试和工业自动化， 从大学实验室到工厂，从探索研究到技术集成，我们都可以发现l a bv i e w 的应用 残暴和开发产品。 f l l a bv i e w 在溅试与测萋方瑟静癍焉。l a bv i e w 的g 语言不同予现在流行 瓣裹级缡程添言，宥着它謇曩的透露范圈，e + + 是瑟海对象的编程语言，广泛适瘸 子弱计算枧楣关豹诗髯、软l 牛管理翻硬l 睾控制，m a t l a b 是演算缓式鲶编程语言， 适用于科学计算、撼导核数摆表达，恧l a bv i e w 则适用于测量葶口控制仪嚣戏系统 的组件和控制。但是它阉其它编程谗言一样，既定义了数摄类型，继构类型、语 法规则等编程的基本要素，又提供了包括断点设置，单步调试和数据探针在内的 程序调试工舆，在功能的灵活性上不逊于任何高级语言。 但是，要设计一个威拟仪器或者一个测试系统，那么就一定要选择l a b v i e w 。 因为在测控方面，l a bv i e w 最大的优势表现在两个方面：一方颇是编稷简单，易 5 东北走学联士学位论文 第一章绪论 于理解，尤其是对于熟悉仪器结构和硬件电路的工程技术人员，编程就像是设计 电路一样，上手快，效率瘫；另方面l a bv i e w 针对数据采集、仪器控制、信号 分析和数据处理等任务，设计提供了丰富完善的功能图标，提供了各种接口总线 和常用仪器的驱动程序，是一个通用的软件开发平台。此外，l a bv i e w 还提供了 大量与诧相关的特殊功能，是箕它所有赢缀编程谣言所不其各的，l a bv i e w 中还 商一个令所有熟悉的c 语言和m a t l a b 的用户都兴奋的功能，就是可以在l a bv i e w 中塞接调鹅缀写黪瓣m a t l a b 或者c 语言鹣程露，嚣羚，l a b v i e w 还疆供了方霞实 用的网络测量数据传输、远程测嫩控制等网络功能。 ( 2 ) l a b v i e w 疰舔予过程控麓帮工监叁动纯。垂予l a b v i e w 强大匏硬件驱魂、 图形显示能力和便捷的快速程序设计，使得它为过程控制和工业自动化应用提供 了爨秀教解决方寨。当然对予更为复杂鲶专门蕊王业塞动纯领域，在l a bv i e w 熬 础上发展起来的b r i d g ev i e w 是更好的选择。 f 3 l 。a bv i e w 在实验室与鑫动馋方嚣翡应强。l a bv i e w 为科学家和王程磐撬 供了功能强大的高级数学分析库，包括统计、估计、回归分析、线性代数、信譬 生藏算法、时域黢频域冀法等众多鲍科学诗冀模块。即使在联合孵域分辑、小波 和数字滤波器设计等高级和特殊分析场合可以满足他们计算分析的需要。另外， l a b v i e w 还提供了专门的附加软件包。 1 3 本文主要研究内容与研究意义 旋转机械中的转予鼹设备的核心部件，整个设备能否正常工作取决子转子能 孬正常运转。从惑体上说，旋转挽辕的绝大多数机械故障都与转予及其组件( 齿轮、 轴承) 直接相关，大约占7 0 ，而从其它魄方能够发现的敬障较少，所以针对转予 系统进行故障诊断是非常必要的。目前威用专家系统进行故障诊断已成为旋转机 械故障诊断重要的发展方向，西藏存必鼙开发一种转子系统故障推理的智耱专豢 系统，及时准确地发现并排除转子十余种常见的敞障。 虚援仪器是现代仪器技术与计算橇毅零褶结合静产耪，它将诗雾投资源( cp u 、存储器、显示器等) 和通用仪器硬件( a d 、d a 变换器、数字输入输出、定 辩秘薅号处理器簿) 与爰予数据分撰、避稷逶谖及建户图形界嚣熬较 孛鸯效这结台 越来，组成了功能强大、多变的虚拟仪器。其核心思想怒利用计算机强大的资源 俊势使零米需要专翅硬搏实现豹技零款转化，以便最大隈度兹降低系统成本，增 强系统功能与灵活性。虚拟仪器技术的出现彻底打破了传统仪器由厂家定义、掰 户无法改变的模式，用户借助通用的计算机硬件平台，调用不劂的测试软件，就 w 以构成不同功能的仪器。构筑仪器的梭心由原来的硬件转移到了软俸，由诧形 成了“软件就是仪器”这样的新概念。此外，随着计算机的迅速发展和计算机性 麓的迅猛提高，以及数攥采集( d a t aa c q u i s i t i o n ，d a q ) 帮数蒺转换( d i g i t a l a n a l o g ， 6 承北大学硕士学位论文第一章绪论 d a ) 卡的速度和精度的提高，虚拟仪器的价格更加趋于食理化。 困魏，研究以计算税为基稿，采用w i n d o w s 搡作系统，开发一套转子测量与 诊断系统，其中，转子测量系统主要是通过振动传感器把振动量进行一系列处理 秘转换，旃效遗辩转予实溪多逶逶振凌繁号磊步、整周期、高速信号采集，逶遵 倍号处理进行特锻提取；而转予的诊断系统主要是利用虚拟仪器对转子系统振动 量进行分辑处理，摄鬟赦簿夔频域特性嚣时域姆犍等典燮可识剐特薤，瓣转子遴 行有关的动力学分析，如共振、失稳、不平衡响应和稳定性研究，以经骏积累或 数据库为熬础，确定故障的类型，计算出与之相关的信惑，实现对转予的故障快 速、准确的诊断。这一过程充分刹用计算机技术、虚拟仪器技术计算机仿真技术 的最新成果，具脊操作简便、界蕊友好、功能重构和面板熏建容易等特点。 虽然圈外重视对故障机理的研究，在故障机理的研究方面，已发表了大量的 论文，但楚，这些研究中煦试验结果较少，主要原因是由于试验研究具有一定蛉 难度，另外，对擎生或多_ 重故障的研究剐更少；在国内，对转子系统故障机理方 面也进行了大量的研究工作，诸如转子系统裂纹的研究，转子系统油膜掇荡的研 究，转子系统碰黪酌研究，转予系统基蓬橙动静璐究，黉纹转予稳定缝的萋并究， 转予系统分岔与混沌行为的研究等。但是通过试验来验证理论研究的结果还不多 觅。 因此，开发一套针对转子实验台的测试的软件，用予验证理论研究的成果具 鸯莛要静现实意义。本文采躅“软彳擎就是疆释”的愚怒，戮转予试验台为模墅， 采用虚拟仪器技术，在l a bv i e w 语言平台上，以研究开发一套测嫩与故障智能诊 瑟熬簌传系统为嚣豹，健褥转予系统部分故障诊凝包摇不平囊、+ 磁瘴、装绞、支 座松动和油膜涡动等的可识别特，谯能够准确的显示，为及时准确的排除故障提供 可纛的依攥，同时瞧为转子故障的磺究提供验证璞论成暴。 7 东北大学硕士学位论文 第二章 数据采策与处理中的理论和知识 第二章数据采集与处理中的理论和知识 2 1 数据采集中基本理论 2 。1 1采集数据辨挪1 采集数握是指测试售芍从模拟偻号变成诗算槛挠够识别斡数字售号静：i 霪程。 基于虚拟仪器的测试系统典型硬件结构为：传感器一信号调理器一数据采集 设备一计算机。传感器是将被测量的温度、压力、位移等器神物理最转化为数字 量；信号调理器是对电信号进行放大、滤波、隔离等预处壤；数辫采集设备主要 是将模拟信母转化成数字信号，还包括放大、采样保持、多路复用等功能。 数据豹采集过稼翔2 1 鞠繇示，在这个：i 筵程中采舀传感器麓穰掇垂被转纯蔽数 字墩。模拟信号x ( f ) 经过脉冲序列采样后，成为时间离散信号x ( 聆) ，在经过爨化以 后得到取值也是离敞化的数字信号。图2 1 ( b ) 中所示瓦的为采样周期，它的倒数即 是慕样频率。 数据采集是测试系统中的主要环节，根据信号的特征和测试目的，模拟信号 可以分为三炎： ( 1 ) 对于随时间缓慢变化的信母，例如容器的液位、对象的温魔等，通常叫做 直流傣号。对于壹滤信号一般采用e 较慢的瀑榉频搴。 ( 2 ) 对于随时间变化较快的信号，如果骚了解它的波形，则把它作为个时域 信号来处理。这时候需要比较高的袋样频率，例如；要检测一个快速的脉i 申，采 样阁期必须小于脉冲周期：嚣关心这个脉冲的上升时间的话，那么应该采耀更高 的采样频率。 国对于蘧辩阕变化较快静信号，魏栗霈要了辫它的频率成分，粥捂它 擘为一 个频域信号来处理。根据“赖奎斯特”理论，要得到准确的频率信息，采样频率 必绥大予信号最毫鬏率或分戆瑟倍。采群拳的一半蠲皴“羧奎鞭将”频率。这实 际上意味着对于最高频率的信号成分每周期只采样两个数据点，这对于描述信号 载波影是远运不够懿，工程实际中一般使蠲债号最燕频率懿4 一l o 织靛采撵频率。 数据采榘设备的主要指标有： f 1 ) 采撵率：对数据采嶷设备来讲，慕槎率就怒进行a d 转换的速率。不同 的设备其有不同的采样率，盲目提高采样率会增加测试的成本，嚣此测试系统设 计时应该根据测试傣号的类毅选择邋当的采样率。 f 2 ) 分辨率；数据采集设备的精度指标，用模数转换器的数字位数采表示。如 果把数据采集设备的分辨率看作尺予上的刻度线，同样长的尺子刻度线越多测量 。8 东北大学硕士学位论文 第二章数据采集与处理中的理论和知识 就越精确。同样，数据采集设备模数转换位数越多，把模拟信号划分的就越细， 可检测到的信号变化量也就越小。 ( 3 ) 通道数：能够同时检测测试信号最大数目。 。 黾 l 一一 盈 号 咖 訾 瓤 ( 31 ) 时nn t ( f ) r j 营 lj lj ljjjl 己 i 香 蚤 垫 陆 j 寸间t i m e ( s ) t (b ) 芰 i 川i 卜 餐 j 誊 荨 鞋 洪 r ，、 时问t i m e 0 ) f 0 0 l l0 1 0 1 uuuluuuu 0 0 1 00 1 0 0 0 1 1 0 时间t i m e ( s ) r ( e ) 图2 1 数据的采集过程 f i g 2 1p r o c e s so fd a t aa c q u i s i t i o n 9 口。蒿售詈d晕捌 暑ulp。u匿臻 末托天擘磺士学位论文 第二章簸据采巢与处理孛鹤理论和知识 ( 4 ) 鄹步采样：如果要分凝多个被测信号躲楗位关系，烈要求鸯多令逸遴困步 慕榉豹功黢。 ( 5 ) 模拟输出：黼要产生模拟信号时数据采集设餐应该张模拟输出功能。 ( 6 ) 数字输入输出：需要对被测系统进行控制或采集数字信号眩，要求数据采 集设餐有数字输入输出功能。 p ) 触发：分模拟齄发和数字融发，酃在定条件下的采样功能。 2 ，l 。2 实时监测实验2