毕业论文-回转筒驱动电机电流实时监测系统

HUNANUNIVERSITY毕业论文论文题目回转筒驱动电机的电流实时监测软件开发学生姓名学生学号专业班级自动化1班学院名称电气与信息工程学院指导老师学院院长2015年5月31日湖南大学毕业设计(论文)第Ⅰ页湖南大学毕业设计(论文)第表4.5所示：表3.1定时器控制方式模式表函数名函数值功能定义PCI8932_GATEMODE_POSITIVE_00x0000计数结束产生中断方式PCI8932_GATEMODE_RISING_10x0001可编程单拍脉冲方式PCI8932_GATEMODE_POSITIVE_20x0002频率发生器方式PCI8932_GATEMODE_POSITIVE_30x0003方波发生器方式PCI8932_GATEMODE_POSITIVE_40x0004软件触发选通方式PCI8932_GATEMODE_POSITIVE_50x0005硬件触发选通方式表示计数器的初值用来选择计数器的通道，取值为[0,2]7.GetDeviceCNT图3-SEQ图_3-\*ARABIC13计数器子VI湖南大学毕业设计(论文)第26页功能：获得各路计数器当前时刻的计数值参数：：设备对象操作句柄，它应由函数创建。图中为第一个I32的值。：取得计数当前值。：计数器通道选择。图中选择通道0。在本系统的设计中，只用一路计数器CLK0来计数，计数的过程是先给计数器赋一个初值，计数器开始作减1计数，当定时器250ms时间到，上次计数值与当前计数值的差值就是250ms时间内计的脉冲个数，因为电机的编码器一转有1000个脉冲，我们去仍然采用移位均值滤波，取四个差值，令其除以4除以1000乘以1/0.25再乘以60再除以电机转一圈编码器所转的圈数就得到电机的转速（r/min）。即为（3-4）计数程序的框图如图3-14所示：湖南大学毕业设计(论文)第27页图3-SEQ图_3-\*ARABIC14转速计算流程图3.3图像采集与储存的编程实现图像的采集与存储是本实时监测系统中的重要组成部分，它包括了对摄像设备的使用，图像的采集与实时显示，以及图像的储存功能。图像连续采集的基本流程如图3-15所示：湖南大学毕业设计(论文)第28页图3-SEQ图_3-\*ARABIC15图像采集流程图程序运行时的主界面如图3-16所示：图3-SEQ图_3-\*ARABIC16监测程序运行图湖南大学毕业设计(论文)第29页上图左侧为图像显示部分，中间是控制部分，包络图像采集按钮、图像帧数显示、图像存储位置、电流数据存储位置、电流大小显示、电机转速显示、系统时间显示，右侧为实时电流曲线显示部分。其中图像部分一共包括了实时图像的显示、图像采集按钮、图像帧数显示、图像储存位置几项功能。采集完成后会将所有的图片储存在指定位置，实际的储存效率为4FPS。3.3.1使用VisionAcquisitionSoftware控件采集图像VisionAcquisitionSoftware是NationalInstruments开发的用于机器视觉的工具包，可以用来采集、显示、记录并检测各种摄像头的图像。其中主要有IMAQ与IMAQdx两种不同的函数库。IMAQ函数库主要是由NI认证过了的相机以及NI自己的图像采集卡所使用的函数构成，都符合DCAM（IEE1394相机之间交换数据的协议）[15]。而使用IMAQdx可以支持更多的相机，也可以支持更多的相机属性，同时也不需要各个相机都保持统一的属性格式。通常会在C:\Users\Public\Documents\NationalInstruments\NI-IMAQdx\Data下生成相应的相机属性文件。图即为IMAQ、IMAQdx两种不同的函数库。图3-SEQ图_3-\*ARABIC17视觉与运动函数库由于实验室并未提供NI官方认证的相机，我们使用普通的USB摄像头，故只需要湖南大学毕业设计(论文)第30页用到IMAQdx下的模块来进行编程。下面介绍一下编程中用到的几个十分重要的模块：1.IMAQdxSnapVI：配置，启动，获取配置单元采集。在便于编程的应用场合中使用单捕获是必不可少的部分。如果你调用这个VI之前调用IMAQdxOpenCameraVI，IMAQdxSnapVI默认情况下，使用cam0。如果图像类型与摄像头的视频格式不匹配，该VI将其转换到一个合适的图像类型格式。图3-SEQ图_3-\*ARABIC18IMAQdxsnapVI参数：SessionIn：指定您想重新设置的摄像机的名称。默认值是cam0SessionOut：是一个独特的参考相机，与SessionIn相同2.IMAQdxConfigureGrabVI：配置和开始采集图像。调用IMAQdxGrabVI在缓冲区高速循环采集图像并复制图像。若在调用IMAQdxOpenCameraVI之前调用此VI，则IMAQdxConfigureGrabVI默认情况下使用cam0。调用IMAQdxUnconfigureAcquisitionVI取消获取图像的配置。图3-SEQ图_3-\*ARABIC19Grab配置VI参数：SessionIn：指定您想重新设置的摄像机的名称。默认值是cam0SessionOut：是一个独特的参考相机，与SessionIn相同3.IMAQdxGrabVI：获取输出图像的当前帧。在调用IMAQdxConfigureGrabVI之后才调用此VI。如果图像类型与摄像头的视频格式不匹配，该VI将其转换到一个合适的图像类型格式。湖南大学毕业设计(论文)第31页图3-SEQ图_3-\*ARABIC20帧数输出VI参数：SessionIn：是一个独特的摄像头。可以通过调用IMAQdxOpenCameraVI来得到。SessionOut：是一个独特的参考相机，与SessionIn相同WaitforNextBuffer?(Yes)：若值为“Yes”，驱动程序将等待下一个可用的缓冲区；若值为“No”，将不会等待下一个可用的缓冲区，而是返回到最后采集的缓冲区。BufferNumberOut：是实际获得的缓冲区的返回值。4.IMAQdxSequenceVI：配置，启动，获取，停止和取消配置一系列采集。调用此VI获取多个图像。调用此VI之后再调用IMAQdxOpenCameraVI，则IMAQdxSequenceVI默认情况下，使用cam0。图3-SEQ图_3-\*ARABIC21IMAQdx配置VI参数：SessionIn：指定您想重新设置的摄像机的名称。默认值是cam0SessionOut：是一个独特的参考相机，与SessionIn相同5.IMAQdxOpenCameraVI：打开相机，查询摄像头的功能，加载摄像头的配置文件，并能创建一个独特的相机。完成后调用IMAQdxCloseCameraVI。图3-SEQ图_3-\*ARABIC22开启相机VI参数：CameraControlMode：是图像广播期间使用的相机的控制模式。打开相机湖南大学毕业设计(论文)第32页Controller模式，则是主动配置和获取图像数据；打开相机Listener模式下，则是从打开Controller模式下的不同主机或目标计算机上被动地获取图像数据。默认值是控制器模式。SessionIn：指定您想重新设置的摄像机的名称。默认值是cam0SessionOut：是一个独特的参考相机，与SessionIn相同6.IMAQdxCloseCameraVI：停止图像获取，释放获取图像所占用的资源并关闭相机。图3-SEQ图_3-\*ARABIC23关闭相机VI由于我们的要求是能够使上位机连续的显示所采集的图像，摄像头的Snap方式不能满足我们提取图像的速度要求，所以我们需要使用USB摄像头的Grab操作。USB设备在正常工作以前,第一件要做的事就是枚举，所以USB摄像头在进行初始化前，需要先执行第0步，枚举系统中的USB摄像设备，接着：第1步：调用IMAQUSBInit.vi完成USB摄像头的初始化工作。第2步：调用IMAQUSBGrabSetup.vi初始化Grab过程。第3步：调用IMAQCreate.vi创建图像数据缓冲区。第4步：调用IMAQUSBGrabAcquire.vi快速采集图像数据。第5步：调用IMAQUSBClose.vi，释放占有的USB摄像头。第6步：调用IMAQDispose.vi，释放占有的图像数据缓冲区。程序如下图所示：湖南大学毕业设计(论文)第33页图3-SEQ图_3-\*ARABIC24USB摄像头的连续图像采集过程3.3.2利用VisionExpress模块实现图像显示与存储在摄像头成功安装后，可以在NI的Measurement&AutomationExplorer中观察该摄像头的驱动是否可用。图3-SEQ图_3-\*ARABIC25NI硬件管理系统NI的Measurement&AutomationExplorer名称为NIMAX，在此管理软件内可以进行对摄像头的调试，抓取，绘制直方图等多种操作。在确认摄像头可用之后，我们可以使用VisionExpress对图像进行在此监测系统中的显示与储存，此空间具备十分强大的功能，在程序中的实现如图3-26所示：湖南大学毕业设计(论文)第34页图3-SEQ图_3-\*ARABIC26图像显示与存储的实现由于VisionExpress的设置参数较多，下面分别介绍需要用到的参数功能：(1)SelectAcquisitionSource：图3-SEQ图_3-\*ARABIC27SelectAcquisitionSource功能：选择采集源，里面可以选择实体IMAQ设备或者虚拟设备，在本系统中应当与采集程序中的图像源相一致。(2)SelectAcquisitionType：湖南大学毕业设计(论文)第35页图3-SEQ图_3-\*ARABIC28SelectAcquisitionType功能：确定采集类型，一般有一下四种方式：单幅抓取内处理、连续采集内处理、有限采集内处理、有限采集后处理。由于之前我们确定了采集方式为Grab类型，即为连续采集图片的模式，所以我们选择ContinuousAcquisitionwithinlineprocessing，与之前的采集方式相一致。(3)ConfigureAcquisitionSettings图3-SEQ图_3-\*ARABIC29ConfigureAcquisitionSettings功能：配置摄像头的参数。里面有许多可以调节的参数，例如分辨率、背景光补偿模式、亮度、对比度、饱和度、Gamma值等等，这些参数可以手动设置以达到最好的采集效果。同时右边可以进行测试，并且对目前摄像头拍摄图像的信息进行显示。如图湖南大学毕业设计(论文)第36页3-29，该摄像头目前采集的是采集分辨率为480P（640*480）、32位的RGB图像。(4)ConfigureImageLoggingSettings图3-SEQ图_3-\*ARABIC30ConfigureImageLoggingSettings功能：配置图像的储存路径。当开启允许图像储存之后就可以设置图像的储存路径了，同时这个设置还可以给图像添加前缀，确定图像储存的格式以及图像质量，我们可以设置合适的图像质量以便于批量处理，图像的默认命名为Image+时间（具体到千分之一秒），例如：Image2015_05_11_171029.578.jpg.(5)SelectControls/Indicators图3-SEQ图_3-\*ARABIC31SelectControls/Indicators功能：选择控制器以及指示器。其中配置的左边都为图像模块的控制器，右边为指湖南大学毕业设计(论文)第37页示器。控制器基本都是输入命令，比如系统强制添加的停止按钮，输出路径以及图像前缀编写，手动调节亮度对比度按钮等，而在指示器中我们则可以发现系统强制加载的图像输出控件，以及我们可以手动添加的采集图像数量、帧数、储存路径显示等。这样，当我们按之前的设置对图像采集的两个控件进行编程之后，最后实验的实际图像储存结果如3-32所示：图3-SEQ图_3-\*ARABIC32图像实际储存结果3.4小结这一章设计了电流实时监测系统及图像采集的软件部分，包括Labview的使用，主界面的设计，电流曲线与图像储存显示的编程过程，最后用图像与电流实际储存结果验证了该系统的有效性。湖南大学毕业设计(论文)第38页第4章利用监测系统对电流变化与物料运动状态关系进行探究完成系统的硬件搭建和软件设计后，接下来就是利用这个系统对电流变化与物料运动状态之间的关系进行一些探究。这也是这个监测系统被设计出来的目的之一。对于这个实验而言，我们同时需要两套数据，分别是电流的测量值以及在同一段时间内回转筒内物料的运动状态。其中，休止角是描述物料运动形态的关键性参数，是料床表面和水平面的夹角。在不同的运动状态下，休止角会呈现出不同的变化特点。所以对于后者来说仅仅采用摄像头采集的RGB图像是不够的，我们必须对图像进行处理，进而提取每一幅图像的休止角来作为物料运动状态的指标。4.1图像处理的基本原理图像处理技术已经广泛用于各种各样的监测领域，下面简单介绍一下这个实验用到的简单图像处理方法。（1）阈值分割一般来说一幅图像中包括目标区域、背景区域和噪声区域，分割目标区域最常用的方法就是设定某一阈值，用将图像的数据分成两部分：大于的像素区域和小于的像素区域，例如，若输入图像为g(x,y)，输出图像为F(x,y)，则（4.1）这就是图像二值化处理，它的目的就是利用一个阈值t将图像g(x,y)分成目标和背景两个领域。（2）中值滤波中值滤波器属于统计滤波器[16]，采用非线性滤波技术。有些线性滤波器比如均值滤波、最小均方滤波，会给图像的细节造成模糊，而中值滤波器可以克服这一缺点。中值滤波器可以非常有效地消除脉冲干扰（也称为椒盐噪声），因为这一类噪声是以黑白点湖南大学毕业设计(论文)第39页的方式在图像上叠加的，并且在实际应用中，中值滤波器不需要图像的统计特征，这样使用起来就很方便，因此中值滤波器被广泛应用。4.2两组试验的结果分析在原理确定之后，我们选取2组实验，分别为电机转速n=1与n=2（r/min），填充率均为f=7%，当电机实现匀速转动后，我们设定每组试验时间均为3.5min。图4-1为n=1r/min时的运行界面：图4-SEQ图_4-\*ARABIC1n=1r/min时的主界面可以看到，此时的电机转速为1.017r/min，符合要求，界面的右侧显示了实时电流曲线。我们选取的时间为16:59:56-17:03:30，使用本设计中的实时电流监测系统，我们可以得到实时的电流值，采样的频率为每秒4个电流值，均存放在指定位置的xls文件中，图4-2为储存的电流值：湖南大学毕业设计(论文)第40页图4-SEQ图_4-\*ARABIC2n=1r/min时的电流值接下来是图像的处理，我们使用MATLAB软件的程序运用图像处理中的阈值分割与中值滤波来简单的提取每一幅图片的休止角，将程序放在图片所在的文件夹中运行程序。提取休止角的基本流程图如下：湖南大学毕业设计(论文)第41页图4-SEQ图_4-\*ARABIC3休止角提取流程图我们使用MATLAB程序来处理图片，具体的源代码在附录中，图像休止角的提取一般分为以下几个步骤：1.图像有效区域的截取，我们一般选择imcrop（I，[]）函数，需要根据需要给出640*480的图像中需要提取的初始左上角像素的坐标和横纵坐标的增量值，格式为[XMINYMINWEIGHTHEIGHT];2.对截取后的图像进行灰度值转换，需要用到的基本函数为rbg2gray（a）；3.对灰度转换后的图像进行中值滤波，需要用到的基本函数为medfilt2（a）；4.选取合适的阈值将灰度图像转换为二值图像，需要选择合适的阈值，经实验发现湖南大学毕业设计(论文)第42页选择阈值为75较为合适；5.将二值化后的图像进行曲线拟合，所用到的基本函数为polyfit(x,y,n),并将得到的弧度制转化为角度制。运行过程中的灰度值图、中值滤波、二值化后的图分别如4-4所示：图4-SEQ图_4-\*ARABIC4MATLAB图像处理：灰度图（右上），中值滤波之后结果（右下），二值化结果（左图）MATLAB运行程序时的计算结果如图4-5所示。湖南大学毕业设计(论文)第43页图4-SEQ图_4-\*ARABIC5MATLAB处理图像的运行情况在处理完图像后，我们可以将所有的休止角数据与同时记录的电流值数据合并在一起，在对齐二者时间轴的情况下，我们可以并且分别绘制二者的变化折线图，并且可以观察二者的变化趋势，二者的折线图变化如图4-6所示湖南大学毕业设计(论文)第44页图4-SEQ图_4-\*ARABIC6n=1时系统效果图：休止角随时间变化图（上图），电流曲线（下图）当n=2r/min时，我们选择实验时间为17:10:29-17:14:03，保持除了变量之外的其他要素不变，重新进行试验，其上位机运行时的界面如图4-7所示：图4-SEQ图_4-\*ARABIC7n=2r/min时的运行界面可以在图中看出实时转速为2.066r/min，符合要求。与第一个实验类似，我们测量相同时间内的电流数据并储存，然后再从图像中使用MATLAB程序提取休止角，最后将二者都绘制曲线，如图4-8所示。湖南大学毕业设计(论文)第45页图4-SEQ图_4-\*ARABIC8n=2时系统效果图：休止角随时间变化图（上图），电流曲线（下图）4.3小结这一章介绍了如何使用设计的实时监测系统对电流变化与物料运动状态关系进行探究，按照以上的步骤完成后需要改进的就是处理方法以及规律的探究。因此，该电流实时监控系统为有关方面的研究提供了一个有效的工具。湖南大学毕业设计(论文)第46页结论对于水泥回转窑来说，主电机电流是一个十分重要的参数。本文根据国内外关于回转窑驱动电流的研究现状和研究成果，在实验室内使用回转筒、驱动电机、直流电流传感器、数据采集卡、摄像头以及计算机搭建一个模拟回转窑的硬件平台，并使用通过Labview设计出一套软件，使得我们可以对AD端口传入的数据进行处理转化为电机的电流值进行显示与储存，并对回转筒内的图像进行实时显示与储存。最后，本文还对电机不同负载下的电流数据与筒内图像进行了对比，这是该实时监测系统的重要用途之一。本套实时监测系统还有许多不足之处，比如电机上编码器的脉冲信号容易受到电磁和电机干扰的影响，最终会导致脉冲的检测结果出现细微的误差，然后在软件设计方面也可以增加新的模块，比如对电流数据进行傅里叶变换等。当然，有关驱动电机电流与回转筒内物料的运动状态之间的确切关系还需要更多的数据以及进一步的研究，这不在本文的讨论范围之内。但是我真切地希望这套实时监测系统可以帮助研究人员在这个领域进行更为有效的探索。湖南大学毕业设计(论文)第47页致谢本次论文从选题到完成，每一步都是在导师刘小燕教授的悉心指导下完成的。这倾注了刘老师大量的心血，所以在论文完成之时，我最感谢的就是导师刘小燕教授。刘老师渊博的专业知识、严谨的科研态度、平易近人的人格魅力对我影响深远。在写论文的过程中，有的时候会遇到问题，在刘老师的耐心指导下，问题都得以解决。所以在此，我想对刘老师说一声：刘老师，谢谢您！此外，我还要特别感谢我的学长宋冬峰。因为他给予了我非常多有关Labview和MATLAB的指导与帮助，每当我遇到问题，他都会悉心解答，并且让我学习了很多专业相关知识。感谢所有107实验室里的学长学姐们对我的帮助。感谢我的室友对我的支持。感谢父母对我学习的支持。湖南大学毕