基于LabVIEW的動力學分析系統

Dynamics Analysis System Based on LabVIEW

劉景峰1　岳鳳英1　李永紅2

(中北大學計算機與控制工程學院1，山西 太原　030051;中北大學儀器與電子學院2，山西 太原　030051)

基于LabVIEW的動力學分析系統

Dynamics Analysis System Based on LabVIEW

劉景峰1岳鳳英1李永紅2

(中北大學計算機與控制工程學院1，山西 太原030051;中北大學儀器與電子學院2，山西 太原030051)

摘要：在工程應用領域中，設備的健康狀況對系統的正常工作起著絕對性的作用，但是用于設備健康狀態分析的方法大多較為抽象，計算繁瑣，且不易實現。針對此問題，對以LabVIEW為軟件開發平臺的動力學分析系統進行了研究。通過對設備多種信號進行采集，利用多種經典的時頻分析和現代譜分析方法，完成了對設備狀態監測、固有特性提取、故障診斷等分析。試驗結果表明，系統具有良好的穩定性與可靠性，可以較好地完成動力學分析。

關鍵詞：動力學分析LabVIEW時頻分析現代譜分析FPGA模態分析故障診斷數據采集模塊

Abstract：In engineering application field, the health status of equipment plays the role of absoluteness in normal operation of the system, while the most of the analysis methods for the health status of equipment are abstraction, and the computation is complicated and often difficult to achieve. Aiming at these problems, the dynamics analysis system with LabVIEW as the software development platform is researched. Through acquiring multiple kinds of signals of equipment, by adopting variety of classical time frequency analysis methods and modern spectrum analysis methods, the equipment status monitoring, inherent feature extraction and fault diagnosis are completed. The experimental results show that the system possesses good stability and reliability, it can work for most of the dynamics analysis.

Keywords：Dynamics analysisLabVIEWTime-frequency analysisModern spectrum analysisFPGAModal analysis

Fault diagnosisData acquisition module

0引言

隨著微電子技術、計算機技術、軟件技術的快速發展，人們對設備本身的健康狀態監測、故障診斷和其他特性分析的要求越來越高，以往對設備狀態單層面的分析已經不能滿足現在的要求。本文以LabVIEW為開發平臺，設計了一套可以同時對多路信號進行采集的動力學分析系統[1-2]。該系統能夠將采集的數據傳輸至上位機進行顯示或是保存成數據文件[3]，并對保存的數據按照各自的特征進行多功能的數據分析[4],進而完成對信號的多層面處理，獲取完整的設備狀態信息，為避免大規模事故發生提供了有力的依據[5]。

LabVIEW語言不但具有豐富的函數、工具包、設備驅動等，還可以對Matlab語言、C語言進行調用，解決了傳統編程語言存在的編程繁瑣、開發周期長等問題。另外，LabVIEW具有豐富多樣的控件類型，軟件界面友好，系統的實際應用性強[6]。

1系統軟件設計

本系統軟件部分主要由數據采集模塊、數據保存模塊和數據分析模塊組成。數據采集模塊主要通過與下位機的配合完成數據的采集。數據保存模塊用于將采集到的數據保存到數據文件中，以便于系統對數據的分析。數據分析模塊是系統的重要組成部分，主要用于完成系統的動力學分析功能。

2硬件設計

系統以FPGA芯片為控制核心完成下位機的系統控制。由于在設備監測時，需要采集多種信號來進行分析，所以采集模塊提供了橋式、熱電偶、IEPE、電壓等多種類型的傳感器來完成多種信號的采集。采集的數據經過處理后，利用高精度的A/D轉換器完成模數轉換，最后將轉換的數據傳輸至上位機。

3數據分析模塊

數據分析模塊主要由經典的時頻分析和現代譜分析組成，其功能框圖如圖1所示。在進行數據分析時，對于一般的采集信號，通過經典的時頻分析便可提取出信號特征，完成動力學分析[7-8]。但是，當待測信號的信噪比很低，并且信號中混有的噪聲幅值較大、分布廣或是需要對設備的動態特性進行分析時，運用傳統的方法往往達不到分析的目的，這時就需要采用現代譜分析方法來達到動力學分析的目的。

圖1　數據分析模塊示意圖

3.1　沖擊響應譜分析

通過對設備結構的沖擊響應譜進行分析，可以得到設備在各頻率信號沖擊下的響應情況，從而為設備的抗震設計和結構特性的優化提供理論依據。圖2為原始信號和其沖擊響應譜。

圖2　原始信號及沖擊響應譜

3.2　概率密度函數分析

通過對概率密度函數的分析，可以得到信號中不同幅值的概率。當對設備進行健康狀態檢測時，利用此分析方法可以全面地描述設備信號的瞬時值、正態性和幅值大小分布情況。通常情況下，當設備進行正常工作時，設備振動信號的幅值概率密度函數曲線在形狀上類似于正態分布；當設備出現故障時，概率密度函數曲線形狀將發生變化。利用概率密度函數的這種特性就可以對設備的故障進行分析。

3.3　小波分析

圖3為原始含噪信號利用小波“db13”函數去噪的結果。從圖3可以明顯看出，利用小波分析能夠將微弱信號準確提取出來，充分證明了小波分析的實用性。

圖3　小波去噪示意圖

利用小波具有覆蓋整個信號頻域范圍的特性，可以將混有噪聲的微弱信號準確地提取出來，從而保證信號分析的準確性。系統提供了小波去噪、小波峰值監測、特征值提取、小波分解與重構等處理方法，運用這些方法可以準確并有效地完成信號的多層次分析[9-10]。此外，在進行小波分析時，需要針對信號的不同特點選擇合適的小波函數，才能得到理想的處理結果。

3.4　模態分析

模態分析是研究結構動態特性的一種方法，是系統辨識方法在工程振動領域中的應用。通過模態分析，可以識別出系統模態參數。通過對模態參數的分析，就可能預知結構體在某頻率范圍內的實際振動響應，為系統結構的振動特性分析、振動故障診斷和預報以及結構動力特性的優化設計提供有力的依據。當系統對結構體進行模態分析時，首先將測試的激勵信號與響應信號經過預處理提取出有效信號，然后經過計算得到頻率響應函數，最后利用頻響函數進行模態分析，從而獲取模態參數[11]。

系統提供了頻域直接參數識別法(frequency direct parameter identification，FDPI)和最小二乘復指數法(least squares complex exponential，LSCE)兩種模態參數識別方法，通過設置階次可以實現多階參數識別，在獲取模態參數后進入振型動畫顯示界面。在振型動畫界面上先建立測試模型和測試點，再選擇要分析的模態參數，便可進行振型動畫顯示。振型動畫能夠直接反映被測物體在各模態參數下的振動情況，從而完成系統的模態分析。

除以上介紹的分析方法以外，系統還包括了功率譜密度分析、頻響函數分析、聲壓級分析、振動級分析等模塊，利用各分析方法的特性對信號進行相應處理，最終均可達到動力學分析的目的。

4系統測試

為驗證系統工作的準確性，選取一塊平面鋼板，并在鋼板上均勻設置20個測試點，采用力錘錘擊的方法，通過系統的采集模塊采集20個點響應信號。由于所選的鋼板很薄，所以只進行Z軸方向上的測量。將采集的響應信號和力錘的激勵信號經過上位機的預處理和頻響分析，最終生成頻響函數曲線。在進行模態參數識別運算時，根據頻響函數的分布情況，利用兩種參數識別方法各自進行多階模態參數識別。但是，由于在模態識別過程中經常會引入虛假模態，所以分析出準確的模態參數對模態分析起著重要的作用。模態參數確定后結合模態參數的取值范圍和對應振型動畫的振動情況，最終確定所有的模態參數。系統通過上文所述兩種方法辨別出的模態參數和通過ANSYS理論計算的參數如表1所示。

表1　模態參數

由表1可知，系統處理得到的模態參數與經過ANSYS理論計算的結果相近，這一方面驗證了系統數據采集的準確性，另一方面也驗證了系統模態分析的準確性。此外，系統所有分析模塊的函數均是采用LabVIEW軟件自帶的函數包，從而保證了系統各個分析模塊的準確性。

5結束語

本系統通過對采集數據進行經典的時頻分析和現代譜分析，實現了對結構系統的振動特性分析、故障檢測分析和預報，并為結構特性的優化提供了依據。試驗結果表明，本系統具有可靠的穩定性和準確性。系統界面友好且操作簡單，可以將復雜的信號處理過程簡單化，最終有效地完成了動力學分析。

參考文獻

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中圖分類號：TP277

文獻標志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201503006

山西省青年科技研究基金資助項目(編號：2012021013-6)。

修改稿收到日期：2014-09-25。

第一作者劉景峰(1988-)，男，現為中北大學儀器儀表專業在讀碩士研究生；主要從事動態測試與智能儀器的研究。