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采用虚拟仪表实现液压装置的动特性测试和仿真
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1 引言
目前大多液压设备制造厂仍沿用手工方法对其生产产品进行性能测试，不仅测试效率低，误差大，而且所需仪器较多(如函数发生器、示波器、频率计、频谱分析仪等)，将这些仪器组合在一起，占用空间大，互联麻烦，价格也十分昂贵。现代工业和技术对影响产品精度的动态特性提出愈来愈高的要求，只有采用计算机辅助测试(CAT)技术，才有可能获取准确的数据及表征产品性能的有关信息，为产品的设计、制造提供依据〔1〕。我国的液压工业已有一定的水平，但与日本、德国等先进国家相比还有较大的差距，其中测试水平的低下是造成质量上不去的重要原因之一。与传统测试手段相比，CAT的优点是数据处理能力强，测试精度高，可保持测量的实时性，防止人为误差，提供一套自动测试方案以及可减少仪器设备量等。
2 虚拟仪表设计
(1)虚拟仪表的结构和功能
虚拟仪表的硬件基础为个人计算机，它采用虚拟仪器技术(Virtual Instrument)来开发。如图1所示，它由PC机、DAQ插件卡、信号调理电路和支持软件等部分组成〔2〕。虚拟仪表充分利用了PC机的资源(处理器、存储器、显示器等)及插件卡功能(定时、A／D、D／A变换器、高速缓存、数字I／O电路等)，通过支持软件来完成数据采集、过程通讯、数据分析处理及仪器界面设计等功能。此外，信号调理电路用于信号放大、防护(隔离)、静态信号适配、低通滤波和端子等。由于虚拟仪表建立在PC机的基础上，所以它可方便地通过总线来挂接各类插件卡，从而实现了多种仪器功能的集成化。如将信号源、频率计、电压表、数字存储示波器及频谱和信号分析仪等仪器功能集成在一起，大大节省了测试设备量及降低了成本。虚拟仪表在硬件的基础上，充分发挥软件的关键作用，实现了测试集成化以及采集与控制、组态与分析、显示和报表等处理功能，如表所示。
虚拟仪表的软件开发平台选用美国NI(NATIONAL INSTRUMENTS)公司推出的LabVIEW图形编程语言，它配有丰富的数字信号处理工具箱，支持DLL和DDE，十分适合CAT用途的虚拟仪表设计。LabVIEW语言要用G——编程(Graph programming)方式，即各子功能模块的表示形式为图标／连接口，各模块之间通过连接口彼此联结起来，互相传送参数，从而构成一个更大的模块并完成特定的任务。在虚拟仪表的软件设计中，大部分程序直接调用了LabVIEW开发环境中的函数库(即图标／连接口)；有少部分子功能，例如接口卡驱动程序DLLs、传感器非线性补偿、标度变换和高阶仿真计算等，则用Borland C++开发工具编写，并生成动态链接库DLLs。LabVIEW具有良好的开放性，它通过调用动态链接库的方式，共亨其它软件开发平台生成的程序代码和资源〔3〕。
3液压装置性能测试及仿真
(1)系统构成
液压装置的动特性测试是通过跟踪测量系统(或环节)的输入量与输出量，并分析它们之间的相互关系，从中提取信息而得出系统的时域和频域特性。虚拟仪表用于液压位置伺服装置动特性测试的系统框图如图2所示。其测试原理是：虚拟仪表的信号源发出一路模拟信号Usr(方波、正弦波等)作为系统的激励输入，该信号经驱动放大后送入系统的输入控制端；虚拟仪表通过A／D采集器输入系统的响应输出信号Uf，而Uf由安装在现场的激光位移传感器检测得到，Uf经信号调理(如放大、滤波、隔离和防护等)之后进行A／D变换，然后输入计算机。整个测试系统的设备量极少，仪器(或装置) 之间的连接简明，大部分测试功能的实现由软件来承担。 [p]
液压伺服装置的动态特性测试从时域和频域两方面进行，虚拟仪表提供一套自动测试方案。测试开始后，自动产生一路标准信号作为被测对象的激励输入，同时提供一个数据采集通道，采样输出端的响应信号。①时域分析：虚拟仪表采集到阶跃响应波形后立即进行数值分析，计算出上升时间tr、峰值时间tp、最大超调量Mp、振荡次数N和调整时间ts等；②频域分析：虚拟仪表输出正弦激励扫描信号，同时输入系统的响应波形。通过对输入输出信号进行相关分析可获得准确的响应信号幅值及相位滞后。逐步变更扫描信号的频率，就测出多组不同的数据，拟合这些数据后绘出幅、相频特性曲线，并求出穿越频率ωc、幅值和相位裕量kg、γ。如图3所示，在监视窗口中的信号波形为一台液压伺服装置的阶跃响应曲线。
对 液压系统 (或装置)的仿真，是按照给定的传递函数，在施予一定激励的条件下计算出系统的响应输出波形。激励和响应波形同时送往波形监视窗口显示。虚拟仪表可实现动态仿真，即仿真得出波形是动态变化的，与现实物理信号相类似。此外，用户在仿真过程中还可随时修改有关参数，从而观察到参数变化对系统的影响。仿真对象分为积分环节、惯性环节、振荡环节以及它们的组合系统。仿真结束后，虚似仪表自动提供仿真报告，在报告中给出各动态特性参数及图表形式的阶跃响应曲线、波德图和奈奎斯特图等。图4所示为三阶系统仿真的部分LabVIEW框图程序。对于高阶的仿真计算则用Borland C++工具编写，并生成DLLs与 LabVIEW程序进行链接。
基于LabVIEW平台开发的虚拟仪表在液压装置的动特性测试和仿真应用中，具有性能稳定、可靠、测试效率高及仪器装卸方便快捷等优点。与独立仪器或组合式分立仪器比较，其主要优点表现为：(1)自动产生测试(仿真)报告，减轻了测试工作量，防止人为误差；(2)在线、离线测试；(3)支持仿真计算；(4)易于实现复杂算法；(5)用户自定义测试的模式、功能等。此外，虚拟仪表比同功能的集成仪器体积小，价格低廉，携带也方便。(end)
目前大多液压设备制造厂仍沿用手工方法对其生产产品进行性能测试，不仅测试效率低，误差大，而且所需仪器较多(如函数发生器、示波器、频率计、频谱分析仪等)，将这些仪器组合在一起，占用空间大，互联麻烦，价格也十分昂贵。现代工业和技术对影响产品精度的动态特性提出愈来愈高的要求，只有采用计算机辅助测试(CAT)技术，才有可能获取准确的数据及表征产品性能的有关信息，为产品的设计、制造提供依据〔1〕。我国的液压工业已有一定的水平，但与日本、德国等先进国家相比还有较大的差距，其中测试水平的低下是造成质量上不去的重要原因之一。与传统测试手段相比，CAT的优点是数据处理能力强，测试精度高，可保持测量的实时性，防止人为误差，提供一套自动测试方案以及可减少仪器设备量等。
2 虚拟仪表设计
(1)虚拟仪表的结构和功能
虚拟仪表的硬件基础为个人计算机，它采用虚拟仪器技术(Virtual Instrument)来开发。如图1所示，它由PC机、DAQ插件卡、信号调理电路和支持软件等部分组成〔2〕。虚拟仪表充分利用了PC机的资源(处理器、存储器、显示器等)及插件卡功能(定时、A／D、D／A变换器、高速缓存、数字I／O电路等)，通过支持软件来完成数据采集、过程通讯、数据分析处理及仪器界面设计等功能。此外，信号调理电路用于信号放大、防护(隔离)、静态信号适配、低通滤波和端子等。由于虚拟仪表建立在PC机的基础上，所以它可方便地通过总线来挂接各类插件卡，从而实现了多种仪器功能的集成化。如将信号源、频率计、电压表、数字存储示波器及频谱和信号分析仪等仪器功能集成在一起，大大节省了测试设备量及降低了成本。虚拟仪表在硬件的基础上，充分发挥软件的关键作用，实现了测试集成化以及采集与控制、组态与分析、显示和报表等处理功能，如表所示。
图1 虚拟仪表的结构
虚拟仪表的功能一览表 
虚拟仪表的软件开发平台选用美国NI(NATIONAL INSTRUMENTS)公司推出的LabVIEW图形编程语言，它配有丰富的数字信号处理工具箱，支持DLL和DDE，十分适合CAT用途的虚拟仪表设计。LabVIEW语言要用G——编程(Graph programming)方式，即各子功能模块的表示形式为图标／连接口，各模块之间通过连接口彼此联结起来，互相传送参数，从而构成一个更大的模块并完成特定的任务。在虚拟仪表的软件设计中，大部分程序直接调用了LabVIEW开发环境中的函数库(即图标／连接口)；有少部分子功能，例如接口卡驱动程序DLLs、传感器非线性补偿、标度变换和高阶仿真计算等，则用Borland C++开发工具编写，并生成动态链接库DLLs。LabVIEW具有良好的开放性，它通过调用动态链接库的方式，共亨其它软件开发平台生成的程序代码和资源〔3〕。
3液压装置性能测试及仿真
(1)系统构成
液压装置的动特性测试是通过跟踪测量系统(或环节)的输入量与输出量，并分析它们之间的相互关系，从中提取信息而得出系统的时域和频域特性。虚拟仪表用于液压位置伺服装置动特性测试的系统框图如图2所示。其测试原理是：虚拟仪表的信号源发出一路模拟信号Usr(方波、正弦波等)作为系统的激励输入，该信号经驱动放大后送入系统的输入控制端；虚拟仪表通过A／D采集器输入系统的响应输出信号Uf，而Uf由安装在现场的激光位移传感器检测得到，Uf经信号调理(如放大、滤波、隔离和防护等)之后进行A／D变换，然后输入计算机。整个测试系统的设备量极少，仪器(或装置) 之间的连接简明，大部分测试功能的实现由软件来承担。 [p]
图2 液压伺服装置性能测试原理图
液压伺服装置的动态特性测试从时域和频域两方面进行，虚拟仪表提供一套自动测试方案。测试开始后，自动产生一路标准信号作为被测对象的激励输入，同时提供一个数据采集通道，采样输出端的响应信号。①时域分析：虚拟仪表采集到阶跃响应波形后立即进行数值分析，计算出上升时间tr、峰值时间tp、最大超调量Mp、振荡次数N和调整时间ts等；②频域分析：虚拟仪表输出正弦激励扫描信号，同时输入系统的响应波形。通过对输入输出信号进行相关分析可获得准确的响应信号幅值及相位滞后。逐步变更扫描信号的频率，就测出多组不同的数据，拟合这些数据后绘出幅、相频特性曲线，并求出穿越频率ωc、幅值和相位裕量kg、γ。如图3所示，在监视窗口中的信号波形为一台液压伺服装置的阶跃响应曲线。
图3 液压装置测试和仿真的虚拟面板
对 液压系统 (或装置)的仿真，是按照给定的传递函数，在施予一定激励的条件下计算出系统的响应输出波形。激励和响应波形同时送往波形监视窗口显示。虚拟仪表可实现动态仿真，即仿真得出波形是动态变化的，与现实物理信号相类似。此外，用户在仿真过程中还可随时修改有关参数，从而观察到参数变化对系统的影响。仿真对象分为积分环节、惯性环节、振荡环节以及它们的组合系统。仿真结束后，虚似仪表自动提供仿真报告，在报告中给出各动态特性参数及图表形式的阶跃响应曲线、波德图和奈奎斯特图等。图4所示为三阶系统仿真的部分LabVIEW框图程序。对于高阶的仿真计算则用Borland C++工具编写，并生成DLLs与 LabVIEW程序进行链接。
图4 三阶仿真LabVIEW程序
基于LabVIEW平台开发的虚拟仪表在液压装置的动特性测试和仿真应用中，具有性能稳定、可靠、测试效率高及仪器装卸方便快捷等优点。与独立仪器或组合式分立仪器比较，其主要优点表现为：(1)自动产生测试(仿真)报告，减轻了测试工作量，防止人为误差；(2)在线、离线测试；(3)支持仿真计算；(4)易于实现复杂算法；(5)用户自定义测试的模式、功能等。此外，虚拟仪表比同功能的集成仪器体积小，价格低廉，携带也方便。(end)
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