機械工程測試技術虛擬仿真實驗系統開發

□湯小嬌 魏 麗 高崇一

一、引言

機械工程測試技術是機械工程相關專業的一門重要的技術基礎課，旨在培養學生實現機械工程中常見物理量測試任務的能力。測試技術是一門綜合性技術，涉及力學、電學、機械設計、傳感技術、計算機技術、信號處理技術等多學科知識。同時，測試技術也屬于實驗科學的分支，必須要借助一定的實驗教學，將理論與實踐相結合，才能學好這門課程，并獲得一定的科學實驗技能[1]。

該課程傳統教學實驗數量少、儀器功能固化，需要專用的實驗設備和場地，由于大學擴招導致學生人數不斷增加，實驗設備卻隨著老化或損壞而逐漸減少，測試實驗設備的數量和性能已經遠遠無法滿足實驗教學的要求。另外，由于這門課中信號的分析與處理，測試系統特性分析等內容需要借助復雜的工程數學運算，學生理解、運用都感覺比較吃力，如果可以將這些內容通過仿真實驗的方式讓學生們逐一驗證，并以圖形的形式顯示出來，學生們可以很直觀地看到整個過程和仿真結果，能夠更好地了解所學內容。此外，傳統實驗受時間和空間的限制，無法做到隨時做實驗，如果能夠將仿真實驗放到網絡上，學生可以隨時隨地做自己想做的實驗，可以實現個性化學習，這樣可以大大提高學生的學習興趣，達到事半功倍的效果。

虛擬儀器技術是測試儀器發展的一個重要方向，功能強大，成本低，效率高，可以通過軟件來實現傳統硬件系統才能實現的功能，并且可以實現程序的網絡化。因此利用虛擬儀器技術開發一套機械工程測試技術虛擬仿真實驗系統是一個不錯的選擇[2]。

二、虛擬仿真實驗系統的開發平臺簡介

該虛擬實驗系統要能夠實現課程的所有重要性質的仿真，包括信號的相關分析、信號的頻譜分析、測試系統特性分析、系統的時間響應分析、數字濾波器等，該仿真系統要可以實現遠程訪問，并具有操作簡單、界面美觀、交互性強的特點。美國NI公司的LabVIEW是在測試技術領域廣泛應用的虛擬儀器開發平臺，利用LabVIEW開發的虛擬儀器無論是操作界面還是功能可以媲美真實的測試儀器，因此，該系統是以LabVIEW 2017為開發平臺，并結合美國MathWorks公司的商業數學軟件MATLAB 2017開發的。

LabVIEW是一種圖形化的虛擬儀器編程語言，廣泛地應用于測量或控制系統的開發，LabVIEW包含了多種多樣的數學運算函數，特別適合進行模擬、仿真設計，同時可以方便地調用其它語言或軟件。此外，LabVIEW提供很多外觀與傳統儀器類似的控件，可用來方便地創建用戶界面，界面外觀漂亮，操作簡單，因此，以LabVIEW為虛擬實驗開發平臺是最佳選擇。

MATLAB在數值計算方面首屈一指，可以進行矩陣運算、繪制函數和數據、實現算法、創建用戶界面、連接其他編程語言的程序等。MATLAB的基本數據單位是矩陣，它的指令表達式與數學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題十分簡捷，已成為一個應用廣泛的強大的數學軟件。雖然LabVIEW也具有強大的數學分析與計算能力，但與MATLAB相比仍然略遜一籌，因而仿真系統的開發利用LABVIEW的圖形友好的優點，將LABVIEW作為系統開發的平臺，需要運算時再調用MATLAB強大的運算功能[3]。

三、仿真實驗系統基本結構

仿真實驗系統由四個模塊構成，分別為時域響應實驗、頻域分析實驗、延時域分析實驗和信號處理實驗，每個模塊下又有若干個仿真子程序，整個仿真實驗系統共有25個仿真子程序，如圖1所示。

圖1 仿真實驗系統基本組成

四、仿真實驗系統功能介紹

(一)時域響應實驗。

時域分析是機械工程測試技術的一個重要內容，通過時域分析可以了解不同的測試系統在相同輸入信號作用下的時間響應以及同一測試系統在不同輸入下的時間響應，從而可以深入了解測試系統、輸入、輸出三者之間的關系。時域分析仿真實驗包含一階系統、二階系統以及任意高階系統的時域分析三個子程序，為方便實驗者迅速了解實驗方法，前面版上有簡要的操作說明。輸入系統傳遞函數，選擇輸入信號類型以及顯示模式，便可在顯示時間響應仿真曲線，并計算出系統的時間響應性能指標。輸入信號有階躍、速度、脈沖三種可調，調整顯示模式可以獲得多條曲線對比圖，可以直觀地發現參數變化對時間響應性能的影響，時域響應分析界面如圖2所示。

圖2 時域響應實驗界面

(二)頻域分析實驗。頻域分析實驗是實現測試系統動態特性的一種圖示法，包括系統伯德圖和乃奎斯特圖。這部分內容比較抽象、難度較大，通過頻域分析仿真實驗，學生可以在實驗中驗證常見系統的伯德圖和乃奎斯特圖，并觀察頻域性能指標的計算，包括零頻值、帶寬、諧振幅值和諧振頻率，如圖3所示。

圖3 頻域分析實驗前面板圖

(三)延時域分析。延時域分析實驗包括自相關分析和互相關分析兩個實驗，其中自相關分析實驗目的是驗證不同的信號具有不同的自相關函數的性質，包括周期信號、周期信號疊加隨機信號、窄帶隨機信號和寬帶隨機信號這四種信號的自相關分析仿真實驗，程序框圖如圖4所示。互相關分析實驗的目的驗證互相關函數的同頻相關、不同頻不相關主兩個主要性質，仿真實驗中由信號發生器在兩個通道中產生兩個正弦信號，并對兩路信號進行互相關分析，實驗者先將兩個通道中的正弦信號設置成相同頻率的信號，并觀察互相關函數圖形，修改其中一個通道的正弦信號的頻率，得到兩個不同頻的正弦信號，再觀察互相關函數圖形的變化，從而驗證“同頻相關，不同頻不相關”的性質。

圖4 自相關函數分析實驗程序框圖

(四)信號分析實驗。信號分析實驗包含頻譜分析和信號濾波兩個子程序。頻譜分析包括信號FFT變換和功率譜分析，信號的FFT變換仿真實驗可以實現常見信號的頻譜分析，實驗中可以在信號發生器中選擇矩形方波信號、三角波信號、鋸齒波信號等信號對信號分別信息頻譜分析，得到幅頻譜和相頻譜，觀察不同信號頻譜的區別，也可以改變信號的初始相位，觀察頻譜的變化。信號濾波子程序可以實現信號的數字濾波，包括低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器四種，信號源來自白噪聲信號疊加一個正弦信號，將信號分別通過四種不同的濾波器。觀察輸出的信號時域波形的變化，并對信號進一步進行頻譜分析，觀察信號頻域組成的變化，從而了解濾波器的作用。

(五)仿真程序網絡化。用LABVIEW自帶的網頁發布工具對VI實現網頁化，并在局域網內可以實現訪問。利用本機作為服務器，實驗學生作為客戶端在瀏覽器上輸入鏈接就可以訪問到事先打開存儲在內存中的VI，并在自己的計算機完成仿真實驗。

五、結語

機械工程測試技術虛擬仿真實驗系統以LabVIEW為開發平臺，以MATLAB為數據處理的工具，實現了機械工程測試技術課程的主要知識點的虛擬仿真，仿真實驗開發不需要添加任何硬件設備，大大節約了實驗投入成本，同時又彌補了傳統實驗儀器功能單一固化、實驗數量少等問題的不足。通過基于網絡的仿真實驗，可以將抽象的知識形象生動地通過仿真實驗展現出來，可以隨時隨地利用業余時間進行仿真實驗，將課程學習從課堂引申到課外，提高了學生的自主學習能力，加強了對所學知識的理解，提高了教學質量。