摘要：目前大多液壓設(shè)備制造廠仍沿用手工方法對(duì)其生產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)行性能測(cè)試，不僅測(cè)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(jì)、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(jià)格也十分昂貴。文章介紹了采用虛擬儀表實(shí)現(xiàn)液壓裝置的動(dòng)特性測(cè)試和仿真，供大家了解。
　　
　　1、引言
　　
　　目前大多液壓設(shè)備制造廠仍沿用手工方法對(duì)其生產(chǎn)產(chǎn)品進(jìn)行性能測(cè)試，不僅測(cè)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(jì)、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(jià)格也十分昂貴。現(xiàn)代工業(yè)和技術(shù)對(duì)影響產(chǎn)品精度的動(dòng)態(tài)特性提出愈來(lái)愈高的要求，只有采用計(jì)算機(jī)輔助測(cè)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(jì)、制造提供依據(jù)〔1〕。我國(guó)的液壓工業(yè)已有一定的水平，但與日本、德國(guó)等*國(guó)家相比還有較大的差距，其中測(cè)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(cè)試手段相比，CAT的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，測(cè)試精度高，可保持測(cè)量的實(shí)時(shí)性，防止人為誤差，提供一套自動(dòng)測(cè)試方案以及可減少儀器設(shè)備量等。
　　
　　2、虛擬儀表設(shè)計(jì)
　　
　　（1）虛擬儀表的結(jié)構(gòu)和功能
　　
　　虛擬儀表的硬件基礎(chǔ)為個(gè)人計(jì)算機(jī)，它采用虛擬儀器技術(shù)（VirtualInstrument）來(lái)開(kāi)發(fā)。如圖1所示，它由PC機(jī)、DAQ插件卡、信號(hào)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(jī)的資源（處理器、存儲(chǔ)器、顯示器等）及插件卡功能（定時(shí)、A／D、D／A變換器、高速緩存、數(shù)字I／O電路等），通過(guò)支持軟件來(lái)完成數(shù)據(jù)采集、過(guò)程通訊、數(shù)據(jù)分析處理及儀器界面設(shè)計(jì)等功能。此外，信號(hào)調(diào)理電路用于信號(hào)放大、防護(hù)（隔離）、靜態(tài)信號(hào)適配、低通濾波和端子等。由于虛擬儀表建立在PC機(jī)的基礎(chǔ)上，所以它可方便地通過(guò)總線來(lái)掛接各類(lèi)插件卡，從而實(shí)現(xiàn)了多種儀器功能的集成化。如將信號(hào)源、頻率計(jì)、電壓表、數(shù)字存儲(chǔ)示波器及頻譜和信號(hào)分析儀等儀器功能集成在一起，大大節(jié)省了測(cè)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(shí)現(xiàn)了測(cè)試集成化以及采集與控制、組態(tài)與分析、顯示和報(bào)表等處理功能，如表所示。　　　　　　
　　（2）虛擬儀表的開(kāi)發(fā)平臺(tái)
　　
　　虛擬儀表的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)選用美國(guó)NI（NATIONALINSTRUMENTS）公司推出的LabVIEW圖形編程語(yǔ)言，它配有豐富的數(shù)字信號(hào)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(jì)。LabVIEW語(yǔ)言要用G——編程（Graphprogramming）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(guò)連接口彼此聯(lián)結(jié)起來(lái)，互相傳送參數(shù)，從而構(gòu)成一個(gè)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(jì)中，大部分程序直接調(diào)用了LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境中的函數(shù)庫(kù)（即圖標(biāo)／連接口）；有少部分子功能，例如接口卡驅(qū)動(dòng)程序DLLs、傳感器非線性補(bǔ)償、標(biāo)度變換和高階仿真計(jì)算等，則用BorlandC++開(kāi)發(fā)工具編寫(xiě)，并生成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLLs。LabVIEW具有良好的開(kāi)放性，它通過(guò)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的方式，共亨其它軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)生成的程序代碼和資源〔3〕。
　　
　　3、液壓裝置性能測(cè)試及仿真
　　
　　（1）系統(tǒng)構(gòu)成
　　
　　液壓裝置的動(dòng)特性測(cè)試是通過(guò)跟蹤測(cè)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(shí)域和頻域特性。虛擬儀表用于液壓位置伺服裝置動(dòng)特性測(cè)試的系統(tǒng)框圖如圖2所示。其測(cè)試原理是：虛擬儀表的信號(hào)源發(fā)出一路模擬信號(hào)Usr（方波、正弦波等）作為系統(tǒng)的激勵(lì)輸入，該信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大后送入系統(tǒng)的輸入控制端；虛擬儀表通過(guò)A／D采集器輸入系統(tǒng)的響應(yīng)輸出信號(hào)Uf，而Uf由安裝在現(xiàn)場(chǎng)的激光位移傳感器檢測(cè)得到，Uf經(jīng)信號(hào)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(jì)算機(jī)。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)備量極少，儀器（或裝置）之間的連接簡(jiǎn)明，大部分測(cè)試功能的實(shí)現(xiàn)由軟件來(lái)承擔(dān)。　　　　
　　（2）動(dòng)特性測(cè)試
　　
　　液壓伺服裝置的動(dòng)態(tài)特性測(cè)試從時(shí)域和頻域兩方面進(jìn)行，虛擬儀表提供一套自動(dòng)測(cè)試方案。測(cè)試開(kāi)始后，自動(dòng)產(chǎn)生一路標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)作為被測(cè)對(duì)象的激勵(lì)輸入，同時(shí)提供一個(gè)數(shù)據(jù)采集通道，采樣輸出端的響應(yīng)信號(hào)。①時(shí)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(jì)算出上升時(shí)間tr、峰值時(shí)間tp、zui大超調(diào)量Mp、振蕩次數(shù)N和調(diào)整時(shí)間ts等；②頻域分析：虛擬儀表輸出正弦激勵(lì)掃描信號(hào)，同時(shí)輸入系統(tǒng)的響應(yīng)波形。通過(guò)對(duì)輸入輸出信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析可獲得準(zhǔn)確的響應(yīng)信號(hào)幅值及相位滯后。逐步變更掃描信號(hào)的頻率，就測(cè)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(hào)波形為一臺(tái)液壓伺服裝置的階躍響應(yīng)曲線。　　　　
　　（3）動(dòng)特性仿真
　　
　　對(duì)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(lì)的條件下計(jì)算出系統(tǒng)的響應(yīng)輸出波形。激勵(lì)和響應(yīng)波形同時(shí)送往波形監(jiān)視窗口顯示。虛擬儀表可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)仿真，即仿真得出波形是動(dòng)態(tài)變化的，與現(xiàn)實(shí)物理信號(hào)相類(lèi)似。此外，用戶在仿真過(guò)程中還可隨時(shí)修改有關(guān)參數(shù)，從而觀察到參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)的影響。仿真對(duì)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(dòng)提供仿真報(bào)告，在報(bào)告中給出各動(dòng)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(duì)于高階的仿真計(jì)算則用BorlandC++工具編寫(xiě)，并生成DLLs與LabVIEW程序進(jìn)行鏈接。　　　　
　　4、結(jié)論
　　
　　基于LabVIEW平臺(tái)開(kāi)發(fā)的虛擬儀表在液壓裝置的動(dòng)特性測(cè)試和仿真應(yīng)用中，具有性能穩(wěn)定、可靠、測(cè)試效率高及儀器裝卸方便快捷等優(yōu)點(diǎn)。與獨(dú)立儀器或組合式分立儀器比較，其主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為：（1）自動(dòng)產(chǎn)生測(cè)試（仿真）報(bào)告，減輕了測(cè)試工作量，防止人為誤差；（2）在線、離線測(cè)試；（3）支持仿真計(jì)算；（4）易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法；（5）用戶自定義測(cè)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(jià)格低廉，攜帶也方便。