采用虛擬儀表實現(xiàn)液壓裝置的動特性測試
    1　引言

　　目前大多液壓設(shè)備制造廠仍沿用手工方法對其生產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)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?，F(xiàn)代工業(yè)和技術(shù)對影響產(chǎn)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(shù)，才有可能獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)及表征產(chǎn)品性能的有關(guān)信息，為產(chǎn)品的設(shè)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、德國等先進(jìn)國家相比還有較大的差距，其中測試水平的低下是造成質(zhì)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(shè)備量等。

    2　虛擬儀表設(shè)計

　?。?）虛擬儀表的結(jié)構(gòu)和功能

　　虛擬儀表的硬件基礎(chǔ)為個人計算機，它采用虛擬儀器技術(shù)（Virtual Instrument）來開發(fā)。如圖1所示，它由PC機、DAQ插件卡、信號調(diào)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(shè)計等功能。此外，信號調(diào)理電路用于信號放大、防護(hù)（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(chǔ)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(shè)備量及降低了成本。虛擬儀表在硬件的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮軟件的關(guān)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。
　
　?。?）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（NATIONAL INSTRUMENTS）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(shè)計。LabVIEW語言要用G——編程（Graph programming）方式，即各子功能模塊的表示形式為圖標(biāo)／連接口，各模塊之間通過連接口彼此聯(lián)結(jié)起來，互相傳送參數(shù)，從而構(gòu)成一個更大的模塊并完成特定的任務(wù)。在虛擬儀表的軟件設(shè)計中，大部分程序直接調(diào)用了LabVIEW開發(fā)環(huán)境中的函數(shù)庫（即圖標(biāo)／連接口）；有少部分子功能，例如接口卡驅(qū)動程序DLLs、傳感器非線性補償、標(biāo)度變換和高階仿真計算等，則用Borland C++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(diào)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(gòu)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(guān)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(jīng)驅(qū)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(yīng)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(jīng)信號調(diào)理（如放大、濾波、隔離和防護(hù)等）之后進(jìn)行A／D變換，然后輸入計算機。整個測試系統(tǒng)的設(shè)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(dān)。

　　（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(jìn)行，虛擬儀表提供一套自動測試方案。測試開始后，自動產(chǎn)生一路標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)信號。①時域分析：虛擬儀表采集到階躍響應(yīng)波形后立即進(jìn)行數(shù)值分析，計算出上升時間tr、峰值時間tp、zui大超調(diào)量Mp、振蕩次數(shù)N和調(diào)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(yīng)波形。通過對輸入輸出信號進(jìn)行相關(guān)分析可獲得準(zhǔn)確的響應(yīng)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(yīng)曲線。

　?。?）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(yīng)輸出波形。激勵和響應(yīng)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(guān)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(jié)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(yīng)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Borland C++工具編寫，并生成DLLs與 LabVIEW程序進(jìn)行鏈接。

    4　結(jié)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(yīng)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(chǎn)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(fù)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。

來源：三一液壓元件網(wǎng)