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关键词： 水泥抗压折   LabVIEW   NB-IoT   伺服电机   模糊PID算法  

摘要： 进入21世纪以来,随着我国经济的快速发展,基础设施的建设也日新月异,例如大跨桥梁、水库大坝、高层建筑、道路交通、公共生活服务等城市基础设施建设,这些设施都离不开重要的建筑材料——水泥。水泥的抗折强度和抗压强度作为水泥性能的重要指标,更是备受工程人员的关注。现有的水泥抗压折试验机存在精度不够、操作繁琐、维护不便等一系列弊端,所以利用先进的现代测控技术和通信技术对现有水泥抗压折试验机进行改造,提高其综合性能。本课题提出了基于虚拟仪器的水泥抗压折测控系统,首先分析了水泥胶砂抗压折的测试基准方法和合格检验依据,然后结合虚拟仪器技术、NB-Io T无线通信技术以及伺服电机驱动技术等进行具体研究和设计,以达到系统操作便捷、测试精准、降低维护成本的目的。课题以ATmega64A-AU单片机作为微控制器,完成了下位机硬件电路设计,包括了压力传感器采集电路、伺服电机驱动控制电路、温湿度传感器采集电路、AD转换电路和滤波电路、通信模块电路,同时用ICCAVR编译器作为下位机程序的开发环境,完成了下位机程序设计。上位机利用Lab VIEW虚拟仪器实现了虚拟界面设计,包括了主界面、功能选择面板、系统设置面板、查询结果面板等,利用RS-232通信技术实现了上、下位机之间的通信,采用NB-Io T无线通信技术实现了远程升级设备的功能。在伺服电机控制系统方面,通过采用自适应模糊PID算法,提高了控制精度,并使伺服电机控制系统具备参数实时调整能力。课题完成了基于虚拟仪器技术的水泥抗压折测控系统的研究和设计,并对系统测试结果进行分析和验证,课题设计的水泥抗压折测控系统的性能和测试精度均符合国家建材行业标准,可以应用于实际工程中。

关键词： 滚动轴承   振动测量   故障诊断   阈值降噪   机器学习   虚拟仪器  

摘要： 滚动轴承是旋转机械中应用广泛的核心支承部件,其健康状态会影响整个设备的安全稳定运行;同时,滚动轴承出厂时需要根据国家标准进行振动测量,以判断是否符合质量要求。因此,开展滚动轴承的振动测量和故障分析技术研究具有重要理论意义和实际应用价值。本文以滚动轴承为对象,从振动信号降噪技术、基于人工特征提取的机器学习技术、基于自动特征提取的深度学习技术三个方面,开展轴承振动信号处理和故障诊断技术的研究,提出了一种小波邻域阈值降噪算法、基于联合特征的随机森林和基于MSKACNN模型的轴承故障诊断算法,最后基于虚拟仪器技术设计了一套滚动轴承振动测量和故障分析系统。主要研究内容如下:1)提出一种小波邻域阈值降噪算法。由于测量系统及环境的原因,轴承振动信号时常伴随无用信息和噪声。针对此问题,基于小波阈值降噪算法提出一种新型的邻域阈值函数降噪方法,把相邻的细节信号看成整体进行阈值处理,经过仿真分析和对比实验,相较于其它常用降噪函数,该方法降噪效果更好,具有更高的信噪比提升,且避免了过度降噪的缺陷。2)提出基于联合特征的随机森林故障诊断算法。基于人工特征的机器学习故障诊断过程中,特征提取是必不可少的一步,提取的特征与诊断结果有着直接关系。本文引入振动信号模态分量能量熵特征,与时域特征和频域特征组成特征集合,并将随机森林算法应用于故障诊断,通过与其它常用机器学习算法对比分析,该算法取得更高的诊断准确率和泛化能力,验证了该方法的有效性。3)提出基于MSKACNN的轴承故障诊断模型。在模式识别领域,卷积神经网络因其优越的自动特征提取能力而被广泛应用,取代了繁琐的人工特征提取。本文基于一维卷积神经网络模型,提出一种多尺寸核卷积层结构,相对于未改进的模型WDCNN,通过实验分析和对比,该模型具有更高的诊断准确率和邻域自适应能力。且在“混球”和正常类型的识别中,MSKACNN表现出更高的识别准确率,显示出MSKACNN方法的优点。解决了采用传统信号分析方法进行检测时,难以实现在线检测出“混球”的问题。4)滚动轴承振动测量和故障分析系统设计。借助于Lab View、MATLAB和Python混合开发,按照相关国家标准设计了一套完整的滚动轴承振动信号测量和故障分析系统,包括信号测量、保存和诊断功能。在智能诊断方面,研发了一种将智能诊断算法嵌入振动信号采集系统中的方法,实现了机器学习算法模型对采集的轴承振动信号流的实时分析。所研发的系统既可用于故障轴承诊断;也可用于轴承的质量判定,分析轴承加工中存在的问题,为轴承生产企业提高轴承加工质量提供依据。

关键词： 虚拟仪器技术   PXI总线技术   .Net开发平台   C#   python  

摘要： 虚拟仪器技术是仪器技术、PC技术、总线技术、测试技术和通信技术的有机结合。突破了传统仪器技术测试功能单一、开发周期过长等桎梏,推动了综合测试技术的发展。本文通过对被测飞行器的测试信号和测试需求分析,设计了以PXI测试平台为基础,工控机控制为核心,高效测试软件为关键的某型飞行器非标测试系统,实现了对被测飞行器的自动测试。该测试系统除了具备精准高效的特点,还具备极强的可塑性,可通过少量硬件或软件的升级完成对其他设备的测试。在测试系统硬件方面,经过对总线技术发展的分析,选择了基于PXI总线技术的测试平台作为测试系统开发平台。根据测试需求和对被测信号的分析选择了合适的标准PXI机箱和多功能I/O模块组成PXI采集系统。为了实现对被测信号高效、精准的采集,设计了具备多种功能电路的信号调理模块,提高了信号采集的准确性。在测试系统软件方面,通过对测试系统的测试功能分析,本文选择了在.NET开发平台下以C#语言开发测试系统软件。利用模块化设计思想完成了对测试系统自检、参数设置、自动测试功能、通信功能、数据管理和报表生成等功能模块的设计;针对多任务并发的问题,利用多线程技术完成了自动测试功能中信号采集、数据处理、异常监测及异常处理的功能;为了有效地管理和存取数据资源,利用数据库技术实现了计算机辅助管理测试数据;针对Windows自带Message Box显示框不明显以及字体过小的缺点,利用***设计了自定义显示框替代Message Box的功能。在测试系统功能验证方面,针对测试系统各功能的测试,利用实验室相关测量仪器设计了不同的测试方案;在模拟器与测试系统模拟实际测试强度时,针对测试过程过于重复和枯燥的问题,利用python设计了自动测试脚本完成对系统长时间的自动测试;针对测试系统串口通信功能调试时,现有串口调试软件无法实现自动回复反馈指令的问题,利用C#语言设计了串口通信辅助测试软件,实现对收发指令内容的监测以及自动回复反馈指令;最后通过与模拟器联调并结合各项测试结果的分析,表明设计的某型飞行器非标测试系统具有系统稳定、测试高效精准的特点,满足了设计要求。

关键词： Eriocheir sinensis   LabVIEW   environment monitoring   virtual instrument   CRAB  

摘要： The measurement and control system of Eriocheir sinensis, the Chinese mitten crab, could increase its survival rate and quality effectively. Based on the analysis and design of the system, the parameter ranges for major factors of water quality during crab breeding process were determined. Sensors of pH, dissolved oxygen (DO), and temperature were used to detect the value of pH, DO, and temperature. LabVIEW, a virtual instrument technology, was used to monitor water quality parameters during crab breeding process, thereby controlling the relay of inlet valve, water valve and oxygen valve by comparing the actual figures with normal parameter. This technology was used to perform the adjustment of water quality parameters respectively to achieve automatic control. In order to test the performance of the system, the monitoring time, stocking density and planting density were taken as experiment factors, and the error rate of the monitoring index was taken as evaluation index. The verification experiment results show that pH, DO and temperature monitoring errors were less than 10%, under the maximum constraint conditions of experiment factors, which meet the design requirements.

关键词： 故障诊断   维数约简   流形学习   稀疏表示   虚拟仪器技术  

摘要： 作为旋转机械装备中极为重要的组成部分—转子系统,对其开展监测与诊断不单纯是保障现代工业生产系统安全、高效运行的关键,更是推动工业变革进入工业4.0智能制造时代的基石。然而在工业大数据背景下,海量数据中蕴含了更为全面的机械设备工作状态信息,那么基于数据驱动的旋转机械故障智能监测与诊断技术在转子故障诊断领域中将发挥着不可估量的作用。但这会诱发新的“维数灾难”问题,不利于挖掘出真实且有价值的便于判断设备运转健康状态的信息。欲全面挖掘本质、敏感特征信息,降低设备运行状态分类难度并提高设备运行状态辨识精度,加快智能决策“卡脖子”关键核心技术攻关,开展对高维数据集进行有效维数约简工作是当下急需攻克的难题。本论文针对工业大数据背景下智能运维技术的发展需求,以转子实验台作为研究对象,以传统流形学习和稀疏表示维数约简方法为参考,从图学习角度和数据的相关性角度出发,对转子故障数据集维数约简方法及故障智能诊断系统开发进行了探讨。取得的研究进展情况如下:(1)针对由于原始故障数据集较高维数引发的故障分类困难问题,提出一种将空间局部结构保持思想以及质心概念同时与边缘Fisher分析算法相结合的故障数据集降维方法。该方法依赖靠近质心的近邻点来构建类内本征图和类间惩罚图,最终达到同类样本点在低维空间分布更紧密,异类样本点在低维空间分布更疏远的目的,并利用不同型号转子实验台上采集的振动信号进行验证分析。结果显示,经本方法得到的低维特征可以获得较高的故障辨识精度,验证了该方法的有效性。(2)针对传统的流形学习降维方法在构建邻域时参数难选择的问题,提出由流形学习和稀疏表示相融合的转子故障数据集维数约简方法。此方法最大的优势之一是自适应性选择邻域参数克服了传统流形学习人为选择参数的难题。其次该算法在对不同类样本稀疏编码时利用了类内样本稀疏残差,与传统的稀疏表示方法相比改进方法能获得更具有鉴别性的稀疏权重。并且为避免噪声等在稀疏重构过程中造成不利影响,本方法还融入了稀疏重构约束。通过转子故障数据集和Iris仿真数据集分别进行验证。结果显示,此方法与传统维数约简方法相比,在最终的模式辨识中体现出更好的分类性,准确性及抗噪性。(3)为实现理论算法与实际应用相结合,通过虚拟仪器技术在Lab VIEW环境中开发出一套双跨转子系统的故障监测与智能诊断系统并将提出的理论算法嵌入其中。首先利用多组电涡流传感器对转子系统的振动信号进行采集;再利用Adlink公司研发的型号为DAQ2214数据采集卡实现振动信号的数模转换;其次利用Lab VIEW、MATLAB之间的兼容性进行数据的预处理、维数约简、模式辨识等;最后在PC端完成对转子系统运行状态的监测与分析。流形学习和稀疏表示作为从现象中寻求事物本质进而找到内在规律的信息挖掘方法,在工业大数据背景下的故障智能诊断领域具备广泛的应用前景,后续将重点从标准工业大数据库的建立,装备寿命预测以及远程诊断系统开发方向开展研究工作。

关键词： 结构动响应重构   动载荷识别   卡尔曼滤波   激励预测卡尔曼滤波   虚拟仪器技术  

摘要： 结构动响应重构技术是近年来研究的热点问题之一,它通过有限的测量信息来重构得到未测量处的信息,对振动控制、载荷识别、参数识别、故障诊断等领域的发展有重要意义。本文提出了一种基于卡尔曼滤波的动响应重构方法,可以同时识别出结构外激励并重构得到未知处的动响应,并基于Lab VIEW设计系统,通过了仿真和试验验证,主要研究内容如下:(1)详细推导了基于卡尔曼滤波的结构动响应重构理论,采用加权最小二乘法确定载荷加权矩阵来识别激励,利用最小方差无偏估计确定卡尔曼滤波增益,通过时间更新、激励更新和测量更新构建激励预测卡尔曼滤波,再结合通过激励预测卡尔曼滤波得到的状态向量、观测矩阵、激励影响矩阵等重构得到目标点响应。(2)研究了多自由度和连续梁系统所对应的结构动响应重构方法,通过数值仿真全面分析了该方法在不同激励下激励识别、响应重构的情况,并研究了五种不同误差情况下对结果的影响;针对连续梁系统还探讨了不同观测点、不同模态截断阶数对结果的影响;并提供数值仿真验证了方法的可行性。对一些激励处响应无法观测的情况,研究了方法的适用性,仿真结果表明考虑模态截断时可以识别激励并重构得到响应,此外较为合理的固定位置传感器排列也可以得到一定精度的结果。(3)基于虚拟仪器技术完成了结构动响应重构系统的搭建,并完成了结构动响应重构试验。试验结果表明系统可以较为精确的识别出不同载荷条件的激励并同时重构出目标点响应,证明了系统的可行性、可靠性。

关键词： IBIS模型   DDR3   虚拟仪器技术   IBIS测试系统  

摘要： 高通信速率、高系统可靠性等电子系统特性要求板级系统的仿真须具有更好的精确度和更快的仿真速度,因此良好的IBIS模型对元器件板级仿真至关重要。一个IBIS模型需满足对SPICE等工艺级模型以及元器件实物测量数据的高关联度。目前针对IBIS模型的研究中主要是仿真方面的研究,即通过仿真的方式实现IBIS模型的建模或者IBIS模型解析器的算法研究,及采用IBIS模型完成板级应用仿真从而确定具体器件板级系统的电路设计规则。这些研究对于IBIS模型的建模以及应用具有重大意义,但上述研究仅局限于电路的仿真层面,缺少实测数据的比对验证。本文基于针对IBIS建模仿真、测量验证及模型优化的应用需求与技术难点,针对一款DDR3内存芯片,从仿真与测量两个角度完成IBIS模型的仿真建模优化以及与实测数据的比对验证,进一步完成模型优化与结果分析。本文着重探讨了 IBIS建模优化中测试技术的重要性和研究途径。本文延伸出的工程价值有两个:一是在于针对后续代际存储控制协议可预估的DDRx(x>3)器件,研究可复用、可交互、可拓展的IBIS模型测试系统;二是完成真实器件接口的电特性测量并与仿真结果进行一致性处理,使得IBIS模型既符合理想电路的电特性表现又可反映实际的电路接口电特性表现。论文的主要内容包括:(1)基于电路仿真技术完成DDR3 IBIS模型与SPICE模型的关联优化与模式设计。根据DDR3器件缓冲电路与常规缓冲电路在驱动强度以及ODT特性等差异提出此型号的IBIS建模需求。利用DDR3器件的SPICE模型搭建IBIS模型的仿真环境并仿真得到样片缓冲电路的核心参数。基于SPICE模型的仿真结果,本文对IBIS模型的结构及内容均进行优化。优化后通过搭建仿真验证宏电路对优化后IBIS模型质量进行验证。仿真结果表明IBIS模型在关联优化后输出波形相较于SPCIE模型的输出波形一致。同一变化趋势下同一电压点的时差最大仅1Ops,相对原IBIS模型与SPICE模型在仿真输出波形上最大340ms的时差,优化后时差精度提升了 99.99%;同一变化趋势下逻辑电压稳定时的电压差最大仅6mV,相对原IBIS模型与SPICE模型在仿真输出波形上最大82.5mV的时差,优化后时差精度提升了 92.78%。满足设计要求。(2)基于虚拟仪器技术设计一款满足PXIe协议的IBIS模型测试系统。本文在完成DDR3器件IBIS模型的测量验证可行性分析后给出了系统具体的软硬件设计指标。符合PXIe协议的仪器所搭建的系统配合子母板形式的测试板设计保证测试系统具有很高的灵活组合性,这有利于测试系统满足多种类IC器件的IBIS模型实测验证。基于DDR3器件的工作时序与IBIS模型的实测条件,本文通过设计DDR3与测试系统的时序交互文件实现测试机对DDR3器件的操控。在软件方面,本文合理构建系统软件架构从而兼容GUI设计与序列程序两种应用层模式来兼顾IBIS模型测量验证的IP化与交互性两种优势。采用上述软硬件设计的测试系统具有较高的产品普适性以及软件部分的可重用性、可移植性和易维护性。(3)完成了 DDR3 IBIS模型实测验证及建模仿真结果的对比与分析,并结合SPICE模型建模仿真结果完成实测结果的优化。针对双向管脚处于高阻态输出时的实测直流扫描数据提取了 V-I特性数据中测量误差;针对双向管脚处于逻辑高输出时的实测直流扫描数据,利用电路端接网络结构提取了 V-I数据中测量误差;针对不同频率、电压、PCB链路的V-T特性部分的实测数据,通过与仿真数据对比并结合信号完整性分析提取了 V-T特征参数。基于实测结果完成了 DDR3 IBIS模型优化设计。测试结果表明:优化后的IBIS模型V-I特性部分数据与仿真结果趋势相同且关键部分数据与实测数据的相似度由61.9%提升到99.6%,V-T特性部分优化后IBIS模型相较于优化前与实测数据的相对误差减小56.95%,优化后的IBIS模型满足设计要求且具有很好的使用价值。

关键词： 塔式起重机   虚拟仪器   安全监测   LabVIEW   监控预警系统  

摘要： 随着我国城市化进度的加快,建筑行业也在不断发展。塔式起重机是随着高层、超高层建筑大规模发展而逐渐广泛应用的一种大型机械起重设备。据统计,每年发生的塔吊安全事故约占全年总安全生产事故的10%,对人民群众的正常生活秩序及生命安全已构成严重影响。而虚拟仪器技术在测控领域中的飞速发展为塔机安全监测系统的进步提供了技术支持。因此,本文基于虚拟仪器技术,完成了塔式起重机安全监测预警系统的构建,主要研究内容如下:(1)本文从基础理论入手,在对国内现有塔机安全监控系统研究的基础上,以“低成本、高实用”为原则确定系统监测对象为塔身倾斜度、风速、风向以及工作环境的温湿度。(2)从硬件选型和软件开发两个方面实现塔式起重机安全监测预警系统的设计构建。系统硬件选用带有可重新配置FPGA机箱的CompactRIO控制器作为系统数据采集卡,搭配信号调理器以及高集成度的传感器模块完成搭建。上位机软件则根据系统目标功能进行划分,以LabVIEW语言的Real-Time模式作为编程环境对软件各模块进行开发。(3)为验证系统功能性和稳定性,于室内开展试运行测试,试验表明该系统可实现对各参数实时数据的采集、显示、分析、预报警、记录存储等功能,并且经过72小时的运行监测,系统可维持稳定运行。使用高精度角度测量仪对系统倾斜度监测数据精度进行验证,结果表明倾斜度的平均监测误差仅为规范规定最大阈值的2.913%。(4)于工程现场开展为期7天的实例应用,通过与第三方监测数据对比验证系统准确性,验证结果表明两系统监测数据风速、温度、湿度相关系数均大于0.91,呈高度一致。并依据数据文件对现场塔机的实时安全状态做出分析和判断。系统功能性、稳定性及准确性均得验证,证明该系统在塔机安全监测方面具备良好的应用前景。

关键词： 一流课程   虚拟仪器技术课程   混合式教学   实践  

摘要： 一流课程建设是高等教育建设中的一项重要内容。虚拟仪器技术课程作为计算机应用专业的核心课程，在线上线下混合式课程的建设过程中，首先分析传统教学存在的问题，并从课程内容体系、课程思政体系和教学策略三个方面进行建设。实践结果表明，建立完善的线上教学资源，利用全周期的教学模式，采用过程化综合考核，能有效提升课程的教学效果。

关键词： 高强度聚焦超声(HIFU)   空化   虚拟仪器技术   实时检测  

摘要： 高强度聚焦超声(High Intensity Focused Ultrasound,HIFU)所致空化效应在临床应用中扮演着重要角色,对HIFU临床治疗过程中的空化活动进行实时监测,结合数据分析与治疗过程中实时反馈,可进一步提高HIFU治疗的安全性和有效性。在现有HIFU临床治疗系统的基础上,将两个被动空化检测探头与HIFU换能器集成。在Matlab环境下开发了独立的上位机控制系统,基于以太网通信和虚拟仪器技术,实现了上位机的自动测试,融合被动空化检测系统与HIFU临床治疗系统,对空化所致声发射信号进行实时监测。通过HIFU辐照离体组织实验对该系统进行了测试验证,各种声功率条件下的超声辐照离体组织监测过程中,次谐波幅值与宽带噪声的均方根被实时可视化,用于监测空化的发生;次谐波与宽带噪声均方根的积分曲线斜率用于表征组织焦域处的相对空化强度。实验结果表明,该系统可满足临床治疗过程中对空化活动进行实时监测和数据分析处理的需求,为深入研究实际临床治疗中空化效应和实时反馈提供了一种有力的研究手段。