基于组态技术的虚拟阶比分析仪开发及应用

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组态软件是近年来在工业 自动化领域兴起的-种软件开发技术 ，它具有二次 开发简便 、开发周期短、通用性强和可靠性高等优点。虚拟仪器(virtualinstrument，简称VI)是2O世纪7O年代提出来的-种仪器概念，倡导软件即为仪器”的思想。研究人员对组态技术在虚拟仪器开发中的应用作了-些有益的尝试E 。

阶比分析是旋转机械升、降速阶段非平稳信号分析的重要分析方法，通过阶比分析可以提取与转速有关的故障特征。笔者研究了基于组态技术的虚拟式阶比分析仪的开发。该仪器可实现在线功能重构、有效完成旋转机械的阶比分析。

1 基于组态技术的虚拟仪器开发1.1 系统结构基于组态技术的虚拟仪器系统软件结构如图1所示。系统由控件库、功能库、数据池、界面层(拼搭场)、传感器和数据采集器组成。传感器和数据采集器是系统的硬件部分，负责采集数据，并将数据存储至数据池；数据池与拼搭场双向数据传输，存储实时数据、仪器组态文件；功能库输出端与拼搭场第1输入端连接，为控件拼搭提供仪器功能资源；控件库输· 国家自然科学基金资助项 目(51105396，50905192)收稿 日期：2011-07-11；修改稿收到 日期：2Oll-09-26系统资源库实时数据池J数据池控制拈 I圈 圆 圈 圆 组态配置L 塑 l塑堂虐塑塑 丝 丝查I I 壁丝查组态环境 运行环境界面层图1 基于组态的虚拟仪器软件结构出端与拼搭场第 2输入端连接，为控件拼搭提供控件实例，拼搭场是拼搭虚拟控件并将虚拟控件组建成仪器成品的厂房”E -5]。

1.2 系统运行机制系统同时采用了事件驱动运行方式和数据驱动运行方式，如图2所示。

事件驱动方式中，系统会等待并响应用户或其他触发事件的对象发出消息，并对消息作出响应。采雾振 动、测 试 与 诊 断 第33卷控件 l数据驱动数据 -- I/O数据控件消息符合功能 ，、 规则/ /加入功能列表 l-]数据流方式执行 l功能列表 f---r- I数据驱动显示控件 f赋予出错提不 J堕室 r- 图2 组态虚拟仪器的驱动运行机制用这种方式的程序以事件作为中心聚散，拈化结构非常明显 ，可维护性高。事件驱动程序结构组织方式在人机交互 比较频繁的应用软件、管理软件中得到了广泛应用，但是这个驱动方式在设计时间顺序类程序时，面临着高复杂性和低可读性的困难-5 ]。

数据驱动方式是将整个程序看作是-个数据流通的通道，以数据输人为起点，按照数据处理的自然先后顺序编写程序流程。其基本思想是程序流与数据流对应，不同数据处理中的程序流相互独立。数据流驱动方式使程序流程简单明了，广泛用于用户图形化编程语言中。但是该驱动方式过分依赖程序流程，很多代码用于对流程的控制，-定程度上增加了程序的复杂性，降低了程序运行效率。

图2所示的双驱动运行机制中，仪器运行时用户界面交互采用事件消息方式快速响应用户控制，功能执行时采用数据流驱动，使得仪器架构清楚，数据处理流程清晰，兼顾了两种驱动方式的优点。

1.3 仪器功能模型功能库向界面提供各种测试分析功能，功能库是否强大直接关系到虚拟仪器系统的种类、测试能力和应用范围等。基于组态思想的虚拟仪器设计可在线实施仪器功能重组。在功能重组过程中只需通过简便的参数修改配置，形成参数组态文件；在仪器运行时读取参数配置文件，实现对功能参数的个性化修改。这些修改后的功能可在整个系统中通用，可利用基本功能重组 出新的用户 自定义功能。

图3为仪器功能模型∩以看出基本功能之间、基本功能和组合功能、组合功能和组合功能均可重新组合生成新功能。功能库中的功能函数采用的统图 3 功能模型- 调用接 口。

ReturnType Func(FuncIndex funclD，int inputParamNum ，Param inputParam F，int outputParamNum ，Param outputParam口)其中：funclD为功能索引号；inputParamNum为输入参数个数；inputParam为输人参数信息；output-ParamNum 为输 出参数个数 ；outputParam 为输 出参数信息。

Param为通用参数结构定义，定义为typedef struct PARAM -CString szParamDeclare；//参数描述CString szParamName；//参数名称int nParamType；//参数类型PVOID pDefaultValue；//默认值)Param2 阶比分析仪的功能开发2.1 阶匕分析的基本理论阶比分析也称阶次分析，是旋转机械升降速阶段非平稳信号分析的重要分析方法，通过阶比分析可以提取与转速有关的故障特征，例如：轴不平衡时1阶信号最强；不对中时2阶信号最强；发生油膜涡动时会出现0.5阶信号，当出现动静摩擦时会出现0.25阶的信号I7]。

阶比与转速的对应关系为f- 0 (1)0 U其中： 为频率；O为阶比(参考轴每转内的循环振第 1期 尹爱军，等：基于组态技术的虚拟阶比分析仪开发及应用动次数)；靠为参考轴转速 。

阶比分析的常用方法有传统方法、计算阶比分析方法、基于瞬时频率估计(instantaneous frequen-cy estimate，简称IFE)的阶比分析方法等。

基于瞬时频率估计的阶比分析原理是根据非平稳信号中瞬时转速 与瞬时频率厂的关系，用时频分析的方法获得瞬时频率，进而进行阶比跟踪，实现阶比分析 9]，具体过程如图4所示。

图4 基于瞬时频率估计的阶比分析过程在这-过程中，信号 (r)的连续STFT定义为r o。

F (， )-I [z(r)y(r-t)]exp(-j2fr)drJ - ∞ (2)其 中：7(r)为时间宽度很小的时窗函数； (r)为y(r)的共轭函数。

STFT的谱值(SPEC)为sTFT的时间-频率能量分布(瞬时功率谱密度)，定义为F(，厂)模值的平方P(f，厂)- IF(t，厂)i (3)对于旋转机械阶比分析，希望能够提取出关心的阶比分量，能够对其时域波形进行观察、分析故障[10-12]。笔者实现了基于Gabor变换的阶比分量提取 。

信号 z的Gabor展开为2.2 阶比分析仪器功能的设计根据功能拈模型和基于瞬时频率估计的阶比分析原理建立阶比分析基本功能包 。

class COrderFunpublic：mt ExtractOrder( )；m t Order0rderRPM ( )；lnt 0rderFrequencyRPM ( )；l nt 0rderOrderTime( )；Int OrderFrequencyTime( )；l nt ScaleVtoEU( )；mt CalSpeed( )；mt GetSubWave( )；lnt 0rderSTFT；mt OrderDown-IFESpeed( )；lnt 0rderPowerSpectrum( )；每-个基本函数的输入输出参数具有相同的形式，统-调用接口形式保证了组态系统仪器功能的统-性。限于篇幅，这里不--给出这些功能的实现代码。

阶比分析基本包中包含信号标定、截取波形数据、转速计算、STFT分析、STFT-IFE转速提娶阶次提娶Gabor分解、Gabor综合和播放声音等功能函数。这些基本函数可以完成旋转机械的阶比分析，也可由这些基本包和信号分析基本函数库的基本函数构建复杂、个性化的阶比分析仪。

z ∑ ∑Cm，.g(f) (4) 3 应用与对比其中：C为Gabor展开系数； ， (f)为时移与频调的Gabor基函数，通常为Gaussian函数。

阶比跟踪分为如下两个过程L1 ：1)分析仪中有转速计参考信号。选择Gabor基函数；对给定的窗函数计算其对偶函数；计算Gabor变换系数 C ， ；确定带通滤波矩阵；信号的时频域重构 。

2)分析仪中无转速计参考信号。STFT分析得到瞬时频率估计；遮隔(Mask)算法得到某-阶阶比分量Gabor系数；信号的时频域重构。

图5为LabVIEw8.2系统的阶比分析工具包中的带有升、降速过程的振动模拟信号(采样频率为5 0o0)。图6为对图5信号的阶比分析结果。

1 4.002.000.00l -2.00- 4.0O0 2 4 6 8 10 12 14 16 l8 2Ots图5 振动模拟信号34 振 动、测 试 与 诊 断 第33卷等。利用组态软件技术的原理，实现了组态虚拟式阶比分析仪。与传统虚拟仪器相比，该仪器具有高度的用户扩展性和开放性，可完成在线仪器功能重构。试验验证和对比分析的结果表明，该仪器分析精度高、结果准确，具有实际应用效果。