采用虛擬儀表實現(xiàn)液壓裝置的動特性測試和仿真的方法

　　摘要：目前大多液壓設備制造廠仍沿用手工方法對其生產產品進行性能測試，不僅測試效率低，誤差大，而且所需儀器較多（如函數(shù)發(fā)生器、示波器、頻率計、頻譜分析儀等），將這些儀器組合在一起，占用空間大，互聯(lián)麻煩，價格也十分昂貴。文章介紹了采用虛擬儀表實現(xiàn)液壓裝置的動特性測試和仿真，供大家了解。
　　
　　1、引言
　　
　　目前大多液壓設備制造廠仍沿用手工方法對其生產產品進行性能測試，不僅測試效率低，誤差大，而且所需儀器較多（如函數(shù)發(fā)生器、示波器、頻率計、頻譜分析儀等），將這些儀器組合在一起，占用空間大，互聯(lián)麻煩，價格也十分昂貴。現(xiàn)代工業(yè)和技術對影響產品精度的動態(tài)特性提出愈來愈高的要求，只有采用計算機輔助測試（CAT）技術，才有可能獲取準確的數(shù)據(jù)及表征產品性能的有關信息，為產品的設計、制造提供依據(jù)〔1〕。我國的液壓工業(yè)已有一定的水平，但與日本、德國等*國家相比還有較大的差距，其中測試水平的低下是造成質量上不去的重要原因之一。與傳統(tǒng)測試手段相比，CAT的優(yōu)點是數(shù)據(jù)處理能力強，測試精度高，可保持測量的實時性，防止人為誤差，提供一套自動測試方案以及可減少儀器設備量等。
　　
　　2、虛擬儀表設計
　　
　　（1）虛擬儀表的結構和功能
　　
　　虛擬儀表的硬件基礎為個人計算機，它采用虛擬儀器技術（VirtualInstrument）來開發(fā)。如圖1所示，它由PC機、DAQ插件卡、信號調理電路和支持軟件等部分組成〔2〕。虛擬儀表充分利用了PC機的資源（處理器、存儲器、顯示器等）及插件卡功能（定時、A／D、D／A變換器、高速緩存、數(shù)字I／O電路等），通過支持軟件來完成數(shù)據(jù)采集、過程通訊、數(shù)據(jù)分析處理及儀器界面設計等功能。此外，信號調理電路用于信號放大、防護（隔離）、靜態(tài)信號適配、低通濾波和端子等。由于虛擬儀表建立在PC機的基礎上，所以它可方便地通過總線來掛接各類插件卡，從而實現(xiàn)了多種儀器功能的集成化。如將信號源、頻率計、電壓表、數(shù)字存儲示波器及頻譜和信號分析儀等儀器功能集成在一起，大大節(jié)省了測試設備量及降低了成本。虛擬儀表在硬件的基礎上，充分發(fā)揮軟件的關鍵作用，實現(xiàn)了測試集成化以及采集與控制、組態(tài)與分析、顯示和報表等處理功能，如表所示。　　　　　　
　　（2）虛擬儀表的開發(fā)平臺
　　
　　虛擬儀表的軟件開發(fā)平臺選用美國NI（NATIONALINSTRUMENTS）公司推出的LabVIEW圖形編程語言，它配有豐富的數(shù)字信號處理工具箱，支持DLL和DDE，十分適合CAT用途的虛擬儀表設計。LabVIEW語言要用G——編程（Graphprogramming）方式，即各子功能模塊的表示形式為圖標／連接口，各模塊之間通過連接口彼此聯(lián)結起來，互相傳送參數(shù)，從而構成一個更大的模塊并完成特定的任務。在虛擬儀表的軟件設計中，大部分程序直接調用了LabVIEW開發(fā)環(huán)境中的函數(shù)庫（即圖標／連接口）；有少部分子功能，例如接口卡驅動程序DLLs、傳感器非線性補償、標度變換和高階仿真計算等，則用BorlandC++開發(fā)工具編寫，并生成動態(tài)鏈接庫DLLs。LabVIEW具有良好的開放性，它通過調用動態(tài)鏈接庫的方式，共亨其它軟件開發(fā)平臺生成的程序代碼和資源〔3〕。
　　
　　3、液壓裝置性能測試及仿真
　　
　　（1）系統(tǒng)構成
　　
　　液壓裝置的動特性測試是通過跟蹤測量系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）的輸入量與輸出量，并分析它們之間的相互關系，從中提取信息而得出系統(tǒng)的時域和頻域特性。虛擬儀表用于液壓位置伺服裝置動特性測試的系統(tǒng)框圖如圖2所示。其測試原理是：虛擬儀表的信號源發(fā)出一路模擬信號Usr（方波、正弦波等）作為系統(tǒng)的激勵輸入，該信號經驅動放大后送入系統(tǒng)的輸入控制端；虛擬儀表通過A／D采集器輸入系統(tǒng)的響應輸出信號Uf，而Uf由安裝在現(xiàn)場的激光位移傳感器檢測得到，Uf經信號調理（如放大、濾波、隔離和防護等）之后進行A／D變換，然后輸入計算機。整個測試系統(tǒng)的設備量極少，儀器（或裝置）之間的連接簡明，大部分測試功能的實現(xiàn)由軟件來承擔。　　　　
　　（2）動特性測試
　　
　　液壓伺服裝置的動態(tài)特性測試從時域和頻域兩方面進行，虛擬儀表提供一套自動測試方案。測試開始后，自動產生一路標準信號作為被測對象的激勵輸入，同時提供一個數(shù)據(jù)采集通道，采樣輸出端的響應信號。①時域分析：虛擬儀表采集到階躍響應波形后立即進行數(shù)值分析，計算出上升時間tr、峰值時間tp、zui大超調量Mp、振蕩次數(shù)N和調整時間ts等；②頻域分析：虛擬儀表輸出正弦激勵掃描信號，同時輸入系統(tǒng)的響應波形。通過對輸入輸出信號進行相關分析可獲得準確的響應信號幅值及相位滯后。逐步變更掃描信號的頻率，就測出多組不同的數(shù)據(jù)，擬合這些數(shù)據(jù)后繪出幅、相頻特性曲線，并求出穿越頻率ωc、幅值和相位裕量kg、γ。如圖3所示，在監(jiān)視窗口中的信號波形為一臺液壓伺服裝置的階躍響應曲線。　　　　
　　（3）動特性仿真
　　
　　對液壓系統(tǒng)（或裝置）的仿真，是按照給定的傳遞函數(shù)，在施予一定激勵的條件下計算出系統(tǒng)的響應輸出波形。激勵和響應波形同時送往波形監(jiān)視窗口顯示。虛擬儀表可實現(xiàn)動態(tài)仿真，即仿真得出波形是動態(tài)變化的，與現(xiàn)實物理信號相類似。此外，用戶在仿真過程中還可隨時修改有關參數(shù)，從而觀察到參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響。仿真對象分為積分環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、振蕩環(huán)節(jié)以及它們的組合系統(tǒng)。仿真結束后，虛似儀表自動提供仿真報告，在報告中給出各動態(tài)特性參數(shù)及圖表形式的階躍響應曲線、波德圖和奈奎斯特圖等。圖4所示為三階系統(tǒng)仿真的部分LabVIEW框圖程序。對于高階的仿真計算則用BorlandC++工具編寫，并生成DLLs與LabVIEW程序進行鏈接。　　　　
　　4、結論
　　
　　基于LabVIEW平臺開發(fā)的虛擬儀表在液壓裝置的動特性測試和仿真應用中，具有性能穩(wěn)定、可靠、測試效率高及儀器裝卸方便快捷等優(yōu)點。與獨立儀器或組合式分立儀器比較，其主要優(yōu)點表現(xiàn)為：（1）自動產生測試（仿真）報告，減輕了測試工作量，防止人為誤差；（2）在線、離線測試；（3）支持仿真計算；（4）易于實現(xiàn)復雜算法；（5）用戶自定義測試的模式、功能等。此外，虛擬儀表比同功能的集成儀器體積小，價格低廉，攜帶也方便。