机械毕业设计923基于虚拟仪器的液压系统故障快速诊断装置设计软件部分.docx
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机械毕业设计923基于虚拟仪器的液压系统故障快速诊断装置设计软件部分
摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ
ABSTRACT………………………………………………………………………Ⅱ
第1章绪论………………………………………………………………………1
1.1研究的目的和意义…………………………………………………………1
1.1.1设计目的……………………………………………………………1
1.1.2本设计的研究意义…………………………………………………1
1.2国内外的发展状况…………………………………………………………2
1.3设计需求……………………………………………………………………4
1.4基本内容和拟解决的主要问题……………………………………………5
1.4.1设计基本内容………………………………………………………5
1.4.2拟解决的主要问题…………………………………………………6
1.5技术路线或研究方法………………………………………………………7
第2章图形化编程语言Labview……………………………………………8
2.1Labview简介………………………………………………………………8
2.1.1LabVIEW简介………………………………………………………8
2.1.2VI的特点……………………………………………………………8
2.1.3LabVIEW的体系结构………………………………………………9
2.2Labview软件特点…………………………………………………………9
3.3.3单位选择……………………………………………………………19
3.4数据管理模块……………………………………………………………19
3.5数据显示模块……………………………………………………………19
3.6本章小结…………………………………………………………………19
结论………………………………………………………………………………28
参考文献…………………………………………………………………………29
致谢………………………………………………………………………………31
附录…………………………………………………………………………………32
第1章绪论
1.1研究的目的和意义
1.1.1设计目的
随着高新技术在各个传动系统中的广泛应用,传动装置已经发展为复杂集合体。
液压传动系统具有结构轻巧、传动比大、运行平稳、有效防止过载、易于实现无级调速和自动化、易于实现自动控制及远距离操纵等优点,被广泛应用于工程机械中。
液压系统结构复杂,其内部状态又难以观测,容易发生故障,给液压系统的运行状态监测和日常维护保养带来一定的困难,故障诊断与检测难度大。
若液压系统在运行过程中一旦发生意外故障,不能及时诊断维修将会给用户造成重大经济损失。
传统的诊断方法是在各检测部位安装压力表、流量计、功率表等检测仪器,通过人工观察的方式进行,其方法落后、速度慢、精度低、可靠性差、人为影响因素多,需要花费大量的人力和财力,而基于虚拟仪器的智能诊断方法由于利用领域专家丰富的经验和知识,在液压系统的故障诊断中充分显示出其优越性。
因此,对液压系统检测和故障设备的开发和研制有着很急迫的需求。
本设计将虚拟仪器技术运用到液压系统的在线监测中,设计液压系统故障诊断系统,有效地提取液压系统的特征信号,对故障信息进行分析比较。
1.1.2本设计的研究意义
液压系统具有体积小、重量轻、运动平稳的特点,可以容易地获得较大的力和力矩,并能在较大的范围内方便地实现无级调速,采用液压传动的程度现在已成为衡量一个国家工业化水平的重要标志之一。
但生产设备的液压系统因油液的易污染性和液压元件对污染油液的敏感性而故障频发,液压系统对油液污染十分敏感,油温及粘度的变化也会对液压系统的工作性能造成很大影响,由于液压系统结构复杂,其内部状态又难以观测,容易发生故障,给液压系统的运行状态监测和日常维护保养带来一定的困难。
因此如何有效地对液压系统进行状态检测,提取系统的特征信号,及时发现故障或隐患有着十分重要的工程意义。
液压系统故障快速检测的任务就是在液压系统运行过程中在不拆卸或少拆卸的情况下对压力、温度、流量等计量仪表的动作及噪声、振动、液压油的污染度等状态参数进行监测,掌握设备运转状态和发现异常现象。
如果能随时采集关键部位的运行数据,并进行分析,及时地发现故障征兆并加以控制排除,则系统的故障就可相对减少,甚至排除,使液压设备随时处于完好状态,保证安全正常生产。
而对液压系统的状态监测,除了要定性观察一些物理现象外,更重要的是要对运行过程中许多有关的物理参数进行精确地定量测量并进行性能分析。
液压系统现场快速检测因现场条件的特殊性而具有其自身的一些特点。
其一是要求快速诊断。
生产现场设备一旦发生故障,影响的不仅是此台设备本身的生产,而往往是整个生产系统,特别是自动化生产上的生产设备一旦出现故障,往往造成整个生产线的瘫痪,由此而带来巨大的经济损失。
这就要求生产现场设备一旦出现故障要在很少拆装的情况下就能快速准确诊断,迅速便捷排除。
其二是生产现场受技术条件的限制,无法像实验室内那样能方便地使用众多复杂的仪器来进行测试检查,最好只需用单台便携式仪器就能进行准确的检查诊断。
其三是现场生产人员受知识的限制,很难借助于诸如逻辑推理和神经网络等方法进行故障诊断,而只能采用操作简便的实用诊断方法,很难对液压系统的性能进行准确的检测分析。
因此,生产科研实践提出了开发液压系统现场快速检测系统的要求,随着计算机软硬件技术和计算机辅助测试(CAT)技术的发展,使测试技术与计算机技术进行了深层次的结合,完全改变了传统的测量模式。
由于CAT技术是使用虚拟仪器来组成测试系统,而该系统的功能主要靠软件实现,避免了传统测量方法中必不可少的许多分立的测量仪器。
因此,CAT技术减少了测量环节测量精度,而对被测信号进行的实时分析和输出显示等均由软件完成,具有强大的图形显示和数据处理能力,测试过程准确,操作简单,测试数据和结果输出迅速、直观,能够直接通过软件进行系统的性能分析处理,提高了测试效率,满足在线检测需要处理大量数据的要求,为开发通用的多功能、体积小和重量轻的便于携带的“万用表”式的液压元件、系统计算机辅助现场快速检测系统提供了便利条件,对于液压元件和系统的研发以及液压产品的推广应用具有重要作用。
1.2国内外的发展状况
虚拟仪器已经成为21世纪测试技术与仪器技术发展的一个重要方向,并且在研究、制造和开发等众多领域得到广泛应用。
从20世纪90年代中期以来,国内的重庆大学、哈尔滨工业大学、西安交通大学、中科泛华电子科技公司等院校和高科技公司,在研究开发仪器产品和虚拟式仪器设计平台以及引进和消化NI公司、HP公司的产品等方面做了一系列有益的工作。
经过多年研究,我国己经在虚拟仪器开发方面形成了自己的特色,国家自然科学基金委员会己将虚拟仪器研究作为现代机械工程科学前沿学科之一,并被列为“十五”期间优先资助领域。
我国国民经济的持续快速发展,加快了企业的技术升级步伐,先进仪器设备的需求更加强劲;同时计算机的普及,为虚拟仪器在我国的普及奠定了良好的基础。
因此,我国的虚拟仪器存在巨大的发展潜力。
我国液压CAT技术经过20多年的发展,已有很大进展。
从1980年开始,一些单位就将单板机或PC机应用于液压测试中,但因研制年代较早,硬件的性能均不高。
与液压CAT密切相关的是测控仪器,最初的测控仪器是传统的模拟仪器,由于人工因素,检测速度和测试准确性都难以保证。
带GPIB接口的智能仪器的出现,使得液压CAT实现了自动化,但此时计算机在测试过程中只起到记录数据的作用,CAT系统的性能主要取决于智能仪器。
近几年,我国加强了虚拟仪器在液压CAT中的应用研究,取得了可喜的成果。
国内也有许多高等院校及科研单位正在进行液压CAT的研究工作,并在液压测试中进行一定程度的应用。
我国已经研制出一些具有较高性能的液压计算机辅助测试系统,如机械部北京自动化研究所研制的液压元件计算机辅助测试系统,该系统可完成阀及泵的性能测试,北京理土大学研制的液压泵(液压马达、液压泵—液压马达传动系统)工作特性的计算机辅助试验系统,上海交通大学及昆山液压件厂共同研制的液压阀的特性试验系统,北航开发的液压泵虚拟仪器试验台等。
许多厂家也用CAT系统来进行液压元件的出厂检验。
这些CAT系统大都实现了动态测试,数据处理能力增强,功能大大增加。
但是,这些液压系统试验设备主要用于实验室条件下的性能检测,很难直接应用到现场检测。
而用于现场液压系统状态检测的仪器主要是手持式或便携式压力表、流量计、温度计,这些仪表功能单一,只能检测到一种物理参数,只能进行测量数值的机械或数字显示,而不能体现液压元件的性能、特性。
因此,开发一套基于虚拟仪器的液压系统故障现场检测系统是非常必要的。
由于虚拟仪器以计算机以及数据采集设备为硬件平台,而计算机强大的存储能力、高速的运算与数据处理能力、图形显示功能,再加上功能强大的软件,刚好可以弥补传统仪器的缺点与不足。
既可以很好的满足测试要求,还可以克服传统仪器专用性强的缺点,很容易地对虚拟仪器进行改造,重新组建所需要的新仪器。
1.3设计需求
为了实现和完成设计的目的,需要满足以下设计需求。
1、可报警(声)
2、可报警(光)
3、可设定报警范围
4、能实时显示数据
5、可设定数据采集种类
6、可除噪声
7、能保存数据
8、能读取数据
9、采集数据单位可选
10、占用系统内存小
11、操作简单
12、可显示数据(波形)
13、可显示数据(数组)
14、可随时改变值
15、防程序锁死
16、程序易于安装
17、程序调试简单
18、布局合理
19、符合人机工程学
20、颜色分明
21、红绿灯报警提示
22、效率高
23、可设密码保护
24、互动性强
由以上需求,绘制设计目标树如下表1.1、1.2、1.3、1.4。
表1.1主要类目
虚拟仪器
性能
操作
外观
表1.2性能分支
性能
有效率
可报警(声)
可报警(光)
可设定报警范围
能实时显示数据
可设定数据采集种类
可除噪声
能保存数据
能读取数据
采集数据单位可选
占用系统内存小
表1.3操作分支
操作
操作简单
可显示数据(波形)
可显示数据(数组)
可随时改变值
防程序锁死
程序易于安装
程序调试简单
—
—
表1.4外观分支
外观
布局合理
符合人机工程学
颜色分明
红绿灯报警提示
—
—
1.4基本内容和拟解决的主要问题
1.4.1设计基本内容
本课题进行基于虚拟仪器的液压系统故障现场快速检测技术研究,简化总体框图如图1.1所示。
因为我们实验中的原始信号并非是直接可测的电信号,所以我们需要有,由采集软件(或采集模块)支持下的硬件进行检测,并且需要相应的软件(或模块)对其以采集的数据进行显示(辅助检测人员操作),以及对数据的分析和最后进行对数据的存储。
该课题软件系统由4大部分组成。
1.数据采集模块;2.信号实时显示模块;3.信号处理和分析模块;4.采集数据的保存,通过对这4大部分的研究与应用即可实现对液压系统与测试过程的控制。
图1.1总体框图
1.4.2拟解决的主要问题
1、对检测软件的选择以及对软件的安装和调试,使其满足本课题对数据处理能力的要求和其他检测要求。
在进行软件的安装和使用时,要加入DAQ-max模块,以及其他模块。
这样才可以更好的辅助测量。
2、如何实现软件对实验数据的采集。
在受到硬件的限制下,可以用模拟信号代替真实信号,同样可以达到实现软件功能的要求。
3、如何实现显示采集信号以及显示信号和实验采集数据的同步。
建立一个拥有图像以及数表的操作平台,实时反映当前测量值,从而达到数据显示和数据采集同步的要求。
4、如何解决对已采集的信号处理,如何实现对数据的分析。
采集的数据往往有噪声、有干扰,要进行对信号的滤波使其更加精准更加贴近真实值。
5、如何实现以采集数据和结果的存储与保存。
采集的数据要有存储功能,方便以后分析。
6、软件可自主处理部分采集的数据,并且监控液压系统,当液压系统某些数据超过软件所设定的上限值时,有报警功能。
软件要有实时报警功能,提醒程序操作人员实时值是够超出设定范围并且范围可调。
1.5技术路线或研究方法
本课题的研究就是分析并找出液压元件及系统性能测试中的共同的特点,研究探讨适合液压元件及系统性能测试的方法,并用LabVIEW编制测试软件,进行实验仿真研究,以期提高液压元件及系统性能测试的水平。
技术路线和试验方案:
1、应用液压仿真软件对所设计的液压综合测试系统进行仿真研究。
2、利用LabVIEW编制所需的测试软件。
3、利用测试软件中的数据采集模块,实现对试验过程中压力、流量、流速等参数的采集。
4、利用测试软件中的信号处理和分析模块对数据进行处理,并且进行系统性能分析计算和特性曲线的绘制,并完成检测结果的保存。
第2章图形化编程语言Labview
2.1Labview简介
2.1.1LabVIEW简介
LabVIEW(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench,实验室虚拟仪器工程平台)是美国NI公司ationalInstrumentCompany,简称NI公司)推出的一种基于G语言(GraphicsLanguage,图形化编程语言)的虚拟仪器软件开发工具。
1983年,美国NationalInstruments公司一个致力于开发用于控制仪器的BASIC程序的团队,注意到了工程师和科学工作者的这种需要,他们从此全力投入一套新的用于开发仪器软件程序的专门工具,这套软件就是后来的LabVIEW。
经过十多年这套软件功能不断完善,从1986年的LabVIEWI.0版发展到2002年的LabVIEW6.1版,以及2011年的最新的LabVIEW2011版Express版。
LabVIEW是一套图形化的开发、调试和运行程序的集成环境。
2.1.2VI的特点
VI由一个用户界面、图标代码和一个接口板组成。
接口板用于上层的VI调用该Vi。
VI具有以下特点:
1、用户界面由于类似于仪器的面板也叫做前面板。
前面板包括旋钮、按钮、图形和其他控制元件与显示元件以完成用鼠标、键盘向程序输入数据或从计算机显示器上观察结果。
2、VI用图标代码和连线来完成算术和逻辑运算。
图标代码是对具体编程问题的图形解决方案,图标代码也就是VI的源代码。
4、VI程序使用接口板来替代文本编程的函数参数表,每个输入和输出的参数都有自己的连接端口,其他的VIs可以由此向subVI传递数据。
由于这些特色LabVIEW符合模块化的程序设计概念并对这种概念起到了推进作用。
我们把一个复杂的应用程序逐步划分为一系列简单的子任务,为每个子任务创建一个VI,再把它们装配到另外一个图标代码中完成一个复杂的任务。
2.1.3LabVIEW的体系结构
LabVIEW的软件系统体系结构。
其中仪器驱动程序主要是完成仪器硬件接口功能的控制程序,NI公司提供了各制造厂家数百种GPIB,DAQ,VXI和RS-232等仪器的驱动程序。
有了仪器驱动程序,用户就不必精通这些仪器的硬件接口,而只要把仪器的用户接口代码及数据处理与分析软件组合在一起,就可以迅速而方便地构建一台新的虚拟仪器。
2.2Labview软件特点
LabVIEW开发平台的特点如下
1、具有图形化的编程方式,LabVIEW的基本编程单元是图标,不同的图标表示不同的功能模块。
LabVIEW编写程序的过程也就是选取多个图标并将图标用连线连接起来的过程,设计者无需写任何文本格式的代码,连线表示个功能模块间传递的数据。
被连接的目标之间的数据流控制着执行次序,并允许有多个数据通路同步运行。
其编程过程近似于思维过程,容易为多数工程师和技术人员所接受,是真正的工程师的语言。
2、提供丰富的数据采集、分析及存储的库函数。
LabVIEW是一个带有扩展功能库和子程序库的通用程序设计系统,其开发环境下提供的应用程序有100多种,大致可分为以下几个方面:
高级分析函数库、工具箱库、综合时频分析控制箱、仪器驱动函数库、演示程序库、开发工具库和应用程序生成器等,帮助用户迅速组建自己的应用系统。
3、提供传统的程序调试手段,如设置断点、单步运行,同时提供独具特色的执行工具,使程序动画式运行,利于设计者观察到程序运行的细节。
程序查错无需先编译,只要有语法错误,LabVIEW会自动显示,并给出错误的类型、原因及准确位置。
进行程序调试时,可以在任何位置插入任意多的数据探针,运行程序时,LabVIEW会给出各探针的具体数值,通过观察数据流的变化、程序运行的逻辑状态,寻找错误,大大减少了程序调试的时间,使程序的调试和开发更为便捷。
4、LabVIEW继承和发扬了结构化和模块化程序设计的概念,虚拟仪器是分层次和模块化的,即可以把任意一个虚拟仪器当作顶层程序,也可以将其当作其他虚拟仪器或自身的子程序,这样用户就可以把一个复杂的应用任务分解为一系列的、多层次的子任务,通过为每一个子任务创建一个子虚拟仪器,并运用方框图原理把这些子虚拟仪器进行组合、修改、交叉和合并等处理。
最后建成的顶层虚拟仪器就成为一个包括所有应用功能的子虚拟仪器的集合。
32位的编译器编译生成32位的编译程序,保证用户数据采集、测试和测量方案的高速执行。
2.3Labview的工作方式
LabVIEW是一个通用程序开发系统,但它提供了一些专门用于数据采集和仪器控制的函数库与开发工具。
因为LabVIEW开发的程序的外观和操作方式都与实际仪器类似,所以被称为虚拟仪器,而实际上相当于传统编程语言中的函数。
任何一个VI都是由三个部分组成:
一个可交互的用户界面、一个相当于源代码的流程图和用于与其他VI连接的图标联结器。
因为可交互的用户接口与实际仪器的操作面板类似,所以被称为前面板(FrontPanel)。
前面板通常包括旋钮、按钮、图形或者其他的控制对象和显示对象。
可以用鼠标或者键盘在前面板中输入数据,观看程序运行的结果。
VI从流程图(BlockDiagram)获得指令。
流程图用G语言编写,是一种图形化的编程方式,也是VI的源程序代码。
VI具有层次结构化的特点,既可以作为主程序,也可以作为其他程序的子程序。
VI的图标(Icon)和联结器(Connector)相当于图形化的参数,其他的VI通过它们将数据发送给子VI。
通过这些功能的实现,LabVIEW利用并改进了“模块编程”的概念。
可以将一个应用程序分解成若干个彼此独立的子任务,再分别创建子VI完成子任务,最后在另一个流程图上将这些子VI组合起来,完成所需要的功能,所以最后得到的VI是由一系列分别执行不同功能的子VI所构成的。
由于每个子VI都可以独立执行,所以也简化了主VI的调试工作,而且因为很多底层子VI可以执行一些常用的功能,所以可以创建一组专门的子VI,用于完成某些常用的功能。
2.4Labview的程序开发环境
2.4.1基于LabVIEW的数据采集系统
广义的数据采集包括模拟输入和模拟输出两部分,他们往往使用同一个系统,有许多相同的概念和术语。
数据采集就是将电压、电流、温度、压力等物理信号转换为数字量并传递到计算机中的过程。
数据采集硬件有多种形式,数据采集硬件的选择要根据具体的应用场合并考虑到自己现有的技术资源。
硬件驱动程序就是应用软件对硬件的编程接口,它包含着对硬件的操作命令,完成与硬件之间的数据传递。
依靠硬件驱动程序可以大大简化LabVIEW编程工作,提高开发效率,降低开发成本。
2.4.2LabVIEW的编程环境
LabVIEW程序的创建主要依靠三个模板。
控件模板包含各种控制件和显示件,用来创建程序前面板。
函数模板包含编辑程序代码所涉及到的VI程序和函数,这些VI程序和函数根据类型的不同被分组放在不同的子模板内。
一般在启动LabVIEW后,这两个模板会自动显示出来。
控件模板只有对前面板编辑有效,即只在前面板开发窗口激活时才显示。
函数模板只对代码编辑有效,即只在代码编辑窗口激活时才显示。
另外一个重要的编程工具是工具模板,该模板上的工具可以对前面板和代码窗口中的对象进行编辑。
选择不同的工具,光标变成不同的操作方式,可以修改和操作前面板对象和图标代码。
控件模板,顶端的三个按钮为搜索导航按钮,用户使用他们查找制定控件的位置。
下边有15个子模板,用以创建不同风格的控件。
包括数值子模板、布尔量子模板、字符串和路径子模板、数组与簇子模板、列表框和表格子模板、图形子模板、枚举及单选框子模板、I/O接口子模板、参考数子模板、对话框子模板、经典控件子模板、ActiveX子模板、调用用户定制的控件以及用户子模板。
函数模板。
包括程序结构子模板、数学运算子模板、布尔值子模板、字符串子模板、数组子模板、簇子模板、比较子模板、时间与对话框子模板、文件子模板、数据采集子模板、图形与波形子模板、信号分析子模板、仪器接口子模板、图像及运动控制子模板、数学分析子模板、通讯子模板、应用程序控制子模板、报表生成子模板、图形及声音控制子模板等21个子模板。
LabVIEW还有一个实时的帮助窗口,当你将鼠标光标停留在一个控件或者函数上时,在帮助窗口随时可以看到关于该控件或者函数的介绍、使用说明等帮助信息,使用非常方便。
2.5本章小结
本章主要介绍了LabVIEW图形化变成语言的概况、发展情况、软件的特点、VI的特点、LabVIEW工作方式和开发的环境。
LabVIEW实验室虚拟仪器工程平台是美国NI公司推出的一种基于G语言,他用图标代码来代替编程语言创建应用程序的开发工具,相对与其他的程序软件,简单易学、通俗易懂,对于程序编辑人员的要求相对较低,这使她有着更大的市场,和更多的使用人数。
用LabVIEW编写的每个虚拟仪器程序称为一个VI,每个VI有三个部分:
程序前面板、框图程序和图标/连接器。
实际上VIs类似于传统编程语言的函数或子程序。
LabVIEW利用并改进了“模块编程”的概念。
可以将一个应用程序分解成若干个彼此独立的子任务,再分别创建子VI完成子任务,最后在另一个流程图上将这些子VI组合起来,完成所需要的功能,所以最后得到的VI是由一系列分别执行不同功能的子VI所构成的。
第3章液压系统故障快速诊断装置总体设计
3.1软件系统框架结构
因为我们实验中的原始信号并非是直接可测的电信号,所以我们需要有,由采集软件(或采集模块)进行检测,并且需要相应的软件(或模块)对其以采集的数据进行显示(辅助检测人员操作),以及对数据的分析和最后进行对数据的存储。
本设计进行基于虚拟仪器的液压系统故障现场快速检测技术的研究,知识框图如下图3.1系统组成图所示。
图3.1系统组成
该课题软件系统由4大部分组成。
1、数据采集模块;
2、信号实时显示模块;
3、信号处理和分析模块;
4.、采集数据管理模;
通过对这4大部分的研究与应用即可完成对液压系统中温度、压力、流量的检测。
1、数据采集模块
数据采集模块负责采集传感器所检测到的数据,主要用LabVIEW中的DAQ-maxVI来实现其功能。
在数据采集模块中可以对通道设置,可以选择检测的种类,例如温度检测或者是压力检测。
2、信号实时显示模块
显示模块负责显示数据,并把数据以波形图和图表两种形似反应给程序操作人员。
还有操作面板上的辅助显示,都有显示模块实现其功能,例如闪烁
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