1、基于 LabVIEW 的机械系统频率特性测试的脉冲法实验系统I.S.S.N.1.0.0.2.-.4.9.56CN112034/T实验技术与管理ExperimentalTechnologyandManagement第 26 卷第 10 期 2009 年 1O 月V0L26No.10Oct.2009基于 LabVIEW 的机械系统频率特性测试的脉冲法实验系统王珍,郭方,赵洪健(大连大学机械工程学院,辽宁大连 116622)摘要:为了改善控制工程基础课程以验证性实验为主的现状 ,设计开发了以LabVIEW 为平台的机械系统频率特性测试的脉冲法实验,实验内容包括方案设计,传感器应用,信号的采集与分析等
2、.介绍了脉冲法原理,方案设计及系统的组成,给出了实验结果.该实验丰富了机械类控制工程基础实验内容,巩固了学生的基础理论知识.教学实践证明效果显着.关键词:机械系统;频率特性;LabVIEW;单位脉冲法中图分类号:TP27;G642.42 文献标志码:B 文章编号:10024956(2009)10 003903Experimentsystemfortestingfrequencypropertyofmechanica1systembasedonLabVIEWWangZhen,GuoFang,ZhaoHongjian(CollegeofMechanicalEngineering,DalianUni
3、versity,Dalian116622,China)Abstract:Inordertoimprovepresentstatusthatprovingexperimentsareatmainpositionduringcontrolengineeringbasiccourseteaching,theexperiment,fortestingfrequencypropertyofmechanicalsystembyusingimpulsemethod,wasdesignedandrealizedbasedonLabVIEW.Throughthisexperiment,schemedesign,
4、sensorapplication,signalcollectionandanalysis,andcontroltheoryknowledgewerepresented.Soexperimentcontentwasenrichedforthecourseofcontrolengineeringfoundation,andtheknowledgeofbasictheoryofstudentswassolidified.Theteachingexperienceprovedthattheteachingeffectivenesswasverysignificant.Keywords:mechani
5、calsystem;frequencyproperty;LabVIEW;unitimpulsemethod通过对系统建立数学模型来实现系统频率特性的分析是工程实际中较为常用的方法之一,但对于复杂机械系统很难建立系统的传递函数或微分方程等数学模型,进而就无法直接用解析法获取系统的频率特性.因此 ,利用实验方法获取系统的频率特性在实际生产中变得十分重要.另外,控制工程基础课程内容较为抽象,为了能够更深刻,更直接地了解这门课的知识,就必须有特定的实验.虽然有针对性地开设了一些实验,不过实验内容多以电学系统为主,脱离了机械工程实际.单位脉冲法是在事先不知道系统数学模型的情况下,由信号采样得到单位脉冲作
6、用下系统的时间响应数据,来正确估计其响应函数,然后对该响应函数进行处理可得到待测系统的频率特性 l_2.收稿日期:20081030作者简介:王珍(1971 一), 男 ,江苏省丰县人,博士,副教授,研究方向为振动与噪声控制技术.1 实验原理1.1 单位脉冲信号3单位脉冲的定义由下式表示:,c.t 一 0r.()一 J,且 J80)dt 一 1.(1)10t0J 一.在实验中,由于不可能得到上述数学意义上的单位脉冲函数.一般用力锤短暂作用下获取冲击信号,当冲击锤的作用时间非常短时,可近似认为该冲击信号为脉冲信号.根据拉普拉斯变换的定义,可知单位脉冲函数的象函数如式(2)所示:()一 L(f)一
7、1.(2)1.2 系统的单位脉冲响应设某机械系统传递函数为 G(),则该系统的单位脉冲响应函数硼() 为()=L1EGO) (s) 一 L1G(s).40 实验技术与管理上式表明,系统单位脉冲响应的拉普拉斯变换就是系统的传递函数,而系统的脉冲响应可以通过振动加速度传感器获得,从而可以获取机械系统的传递函数.从理论讲,对该响应信号进行傅里叶变换即可得到其频率特性;然而,由于实践中不可能得到数学意义上的单位脉冲函数对系统进行激励,只能用力锤冲击信号近似代替;因此有必要进行相应的数据处理,以期获取更精确的分析结果.2 方案设计及系统组成4力锤形成的冲击信号必然存在一定时间的延续,因此其拉普拉斯变换(
8、或傅里叶变换)不再是一个常数,故其产生响应信号的傅里叶变换就无法精确的表达系统频率特性.为了降低由于冲击信号代替脉冲信号造成的误差,采用双通道测量法,分别获取冲击信号和响应信号,然后根据传递函数的定义,用其比值表达系统频率特性,如式(3)所示:G-(i)一.(3)ALjJ式中 z.(j) 为响应信号傅里叶变换 ,x(j)为力锤冲击信号傅里叶变换.该实验系统由车床模型,力锤,电荷放大器,加速度传感器,恒流源,数据采集卡(中泰 PCI8360),计算机及控制软件组成,其结构示意图如图 1 所示.实验系统的测试对象为车床模型,可看作为简单的机械系统.力锤用于获得近似脉冲信号的冲击信号;电荷放大器用于
9、对力锤输出信号进行放大处理;加速度传感器用于拾取床身表面的振动信号;恒流源为其提供电源,同时也起到一定的信号调理作用;数据采集卡用于模拟信号的采集,并转换成数字信号用于计算机分析.力锤图 1 实验系统结构简图3 测试系统的 LabVIEW 实现LabVIEW 是由美国 NI 公司推出的一种图形化编程语言和开发环境,它与传统文本语言编程方法不同,可帮助用户更快地实现真实信号的采集,分析与显示_6. 根据系统软件组成需要,设计了多个子 VI模块,然后由各个子 VI 模块组成主程序,如图 2 所示,进而形成虚拟仪器.其中最主要的子 VI 模块为数据采集部分,该部分根据中泰公司提供的采集卡驱动程序,找
10、到相应接口函数,然后实现对信号采集的控制和一些状态参数的设置_7.一罩_JE 丹研五舯任 HIlLL一Il弋 l匿 1鹰羞 Il 凼 I:重圈驾至lln 音:l囵豳;翼薷冒由5 醐镧 lJIl 蓬豢一tt 圈 Il 整位冲击置艟谨 l:母囱.1_谦鏊 l 鳓誊二耍对嚆 F:I 一i 控肄引用疆妇坐替田按铅蜂段罐V-毒饽 l 攫誓翟 M 口 n 牡搿瑟口吼墨 u 札吼捌蝴璃阻埘盥朋嗣蕾明 u蛆一一一瞄一捌 d 旧叫图 2LabVIEW 图形化实现主程序王珍,等:基于 LabVIEW 的机械系统频率特性测试的脉冲法实验系统 414 实验结果及分析根据结构原理图连接好测试系统,并开启软件控制系统,对
11、测试对象进行锤击,即可获得测试对象的频率特性曲线(这里只给出了幅频特性).图 3 为实测结果界面图,上窗口为力锤冲击信号,中间窗口为冲击信号的功率谱,下窗口为响应信号与冲击信号的互功率谱波形.界面右侧为一些滑动标尺,可实现各对应窗口坐标的调整,进而把测试结果更清晰的显示出来.从图 3 中各信号波形形状来看,信号采集和分析结果比较准确,说明了该实验系统是正确可行的.它不仅可以很好地应用于实际教学中,更主要的是通过实验学生可以把该测试方法将来应用到工作中.图 3 系统测试结果界面图5 结束语控制理论在机械工程中的重要性日益明显.培养高素质,实用型人才已成为高校教学的基本目标.但在教学过程中,控制系
12、统的分析繁琐而又深奥,影响了对实用性知识的掌握.因此,要想讲授好这门课程必须把抽象的理论现实化,工程实践化,这样才能更好地体现开设该课程的目的和意义.通过该类综合型实验的设置,不仅可以提高教学质量,更重要的是可以培养高素质机械类应用型人才.参考文献(References):1王积伟,吴振顺 .控制工程基础 rM.北京:高等教育出版社,2004.2杨叔子,杨克冲 .机械工程控制基础M.武汉:华中科技大学出版社,2005.3唐友刚,吴果林 .单位脉冲函数() 及其性质J.考试周刊,2008(36):66-67-.4魏宏波.基于虚拟仪器技术的测控教学实验室的构建J.仪器仪表用户,2008(1):108 109.5侯国屏,王坤 .LabVIEW7.1 编程与虚拟仪器设计M.北京:清华大学出版社,2005.6张运良.虚拟实验室的虚拟仪器开发J.电子产品世界,2007(6):127129.7戴新.数据采集卡在 LabVIEW 中的驱动方法 FJ.计算机技术及应用,2008,25(3):156158.
