[碩士論文精品]基于matlab的振動信號采集與分析系統(tǒng)的研究

基于MATLAB的振動信號采集與分析系統(tǒng)的研究摘要本文研究的主要目的是開發(fā)可以實(shí)時采集與分析振動信號的軟件系統(tǒng)。編寫實(shí)時數(shù)據(jù)采集程序和實(shí)時數(shù)據(jù)分析程序，同時開發(fā)了輸入未知情況下模態(tài)參數(shù)識別程序。系統(tǒng)僅基于一種編程語言平臺MATLAB，增強(qiáng)了軟件的可維護(hù)性、可移植性等性能。系統(tǒng)主要包括如下幾部分首先，開發(fā)了數(shù)據(jù)采集模塊。應(yīng)用的主要硬件是研華公司的PCI1712采集卡與壓電式傳感器。第一步建立硬件與軟件平臺之問的聯(lián)系。第二步開發(fā)實(shí)時數(shù)據(jù)采集程序。主要依據(jù)MATLAB的數(shù)據(jù)采集工具箱的編程規(guī)則編程。同時，利用PCI1712采集卡的先進(jìn)先出的緩沖特點(diǎn)。將一定時間間隔的數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)刪除這里需要保證刪除掉的數(shù)據(jù)已經(jīng)進(jìn)行了保存進(jìn)而采集新的數(shù)據(jù)，以保證數(shù)據(jù)的實(shí)時性。其次，利用MATLAB中的信號處理工具箱實(shí)現(xiàn)了振動信號的實(shí)時處理，包括如下四部分內(nèi)容信號預(yù)處理消除趨勢項(xiàng)，平滑處理等；信號時域處理濾波處理、相干函數(shù)等；信號時域處理，主要包括各種譜函數(shù)自相關(guān)函數(shù)、自功率譜密度函數(shù)、頻晌函數(shù)等；模態(tài)參數(shù)識別頻域法識別、時域法識別，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的模態(tài)、阻尼比、振型識別。上述信號處理功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴于MATLAB強(qiáng)大的計(jì)算功能以及完善的庫函數(shù)。再次，利用MATLAB強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算功能實(shí)現(xiàn)幾何模型和振型的動畫顯示。最后，利用MATLAB的圖形用戶界面功能，開發(fā)出了友好的、功能強(qiáng)大的系統(tǒng)操作界面。關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)采集，信號處理，模態(tài)參數(shù)識別，MATLALBAVIBRAFIONSIGNALACQUISITIONANDANALYSISSYSTEMBASEDONM陵TLABABSTRACTTHEMAINPROPOSEOFTHISPAPERISTODESIGNAREALOTIMEVIBRATIONSI鱸ALACQUISITIONANDANALYSISSYSTEMTHEINNOVATIONSARETHATDESIGNINGREALTIMEDATAACQUISITIONPROGRAMANDDESIGNINGREALTIMESIGNEDPROCESSINGPROGRAM,WHILEDESIGNINGPARAMETERIDENTIFICATIONPROGRAMUNDERUNKNOWNINPUTLOADTHEMAINCONTENTSARE雛FOLLOWINGFIRSTLY,THEDATAACQUISITIONMODULEISDEVELPOEDTHEMAINHARDWARESAREPCI1712DATAACQUISITIONCARDANDPIEZOELECTRICILYSENSOCTHEFIRSTSTEPISTOBUILDTHELINKBETWEENHARDWAREANDSOFTWAREPLATFORMTHESECONDSTEPISTODESIGNREALTIMEDATAACQUISITIONPROGRAMBASEDONTHEPROGRAMRULEOFDATAACQUISITIONTOOLBOXANDTHEFIFOBUFFEROFPCI1712DATAACQUISITIONCARDWITHREMOVINGTHEUSEDDATAFROMTHEBUFFERATINTERVALSBEBUETHEDATAHASBEENSAVEDANDTHENGATHERNEWDATA,THEDATASREALTIMEPERFORMANCECANBEOBTAINED，SECONDLY,THESIGNALPROCESSINGMODULEISDEVELOPEDWITHSIGNALPROCESSINGTOOLBOX，THECONTENTSINCLUDEFOURPARTSASFOLLOWINGTHEPRETREATMENTOFSIGNAL，THESIGNALPROCESSINGINTIMEDOMAINMAINLYABOUTFILTER,THESIGNALPROCESSINGINFREQUENCYDOMAINMAIMYABOUTSPECTNNNFUNCTIONANDTHEPARAMETERIDENTIFICATIONMODULEALLTHEPRESENTOFTHEABOVEFUNCTIONSAREBASEDONTHEPOWERFULNUMERATIONPERFORMANCEANDPERFECTFUNCTIONSOFMATLABTHIRDLY,WITHTHEPOWERFULMATRIXNUMERATIONFUNCTION,THEMODELOFSTRUCLUREANDTHEMOVIEPLAYOFNORMALMODALAREOBTAINEDFINALLY,FRIENDLYMUTUALSYSTEMISDEVELOPEDWITHGUIOFMATLABKEYWORDSDATAACQUISITION，SIGNALPROCESSING,PARAMETERIDENTIFICATION，MATLAB基于MATLAB的振動信號采集與分析系統(tǒng)的研究L緒論11論文的研究背景及意義測試是具有試驗(yàn)性質(zhì)的測量。試驗(yàn)是對迄今為止未知事物探索性的認(rèn)識過程，測量是為確定被測對象的量值而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過程測試是人類認(rèn)識自然、掌握自然規(guī)律的的實(shí)踐途徑之一，是科學(xué)研究中獲得感性材料、接受自然信息的途徑，是形成、發(fā)展和檢驗(yàn)自然科學(xué)理論的實(shí)踐基礎(chǔ)。測試屬于信息科學(xué)范疇，又被稱之為信息探測工程學(xué)。信息，一般可理解為消息、情報和知識，信息本身不是物質(zhì)，不具有能量，但信息的傳輸卻依靠物質(zhì)能量。一般說，傳輸信息的載體稱為信號【L】。人類認(rèn)識世界，是以感官感知自然信息開始。物質(zhì)的顏色、形狀、聲響、溫度變化，可有由人的視覺、聽覺、觸覺等器官感知，但人的感官感知事物的變化有局限性，人類感官的延伸一一傳感器，是近代信息探測工程學(xué)中的重要內(nèi)容，傳感技術(shù)的發(fā)展，擴(kuò)展了人類感知信息的智能。信息探測F塒】涉及到任何一項(xiàng)工程領(lǐng)域，無論是生物、海洋、氣象、地質(zhì)、雷達(dá)、通信以及機(jī)械、電子等工程，都離不開測試與信息處理。作為工程信息的一個實(shí)例，一臺機(jī)器，或者一座橋梁，它本身具有抵抗外力的能力，這是物質(zhì)的固有特性。怎樣探測這一客觀存在當(dāng)所研究的系統(tǒng)受到外力激勵后，所發(fā)生的位移時間歷程就包含了描述該系統(tǒng)的固有頻率和阻尼的信息。因此，對位移時間信號進(jìn)行分析，就可以獲得該系統(tǒng)的剛度。工程中的信息處理，是指從傳感器等軟件獲得初始信息，再用一定設(shè)備手段進(jìn)行分析處理的過程，包括了信息的獲得、傳輸、轉(zhuǎn)換、分析、變換、處理、檢測、顯示及應(yīng)用等過程因?yàn)樾畔⑹且孕盘栃问絺鬏數(shù)?，故而信息處理又可稱之為信號處理。通常又把研究信號的構(gòu)成和特征值成為信號分析；把信號再經(jīng)過必要的加工變換，以期獲得有用信息的過程成為信號處理。測試信號中攜帶著人們所需要的有用信息，也常還含有大量人們不感興趣的其他成分，后者成為干擾噪聲。對信號的分析處理，例如，濾波、變換和估值基于TLAB的振動信號采集與分析系統(tǒng)的研究等，就是對信號的加工變換，其目的是改變信號形式，便于分析和識別濾除干擾噪聲，提取有用信息，便于對所研究事物作出估計(jì)。信號分析的經(jīng)典方法有時域分析與頻域分析法。時域分析又成波形分析，是用信號的幅值隨時問變化之圖形或表達(dá)式來分析，可以得到信號任一時刻的瞬時值或最大值、最小值、均值、均方根等；也可以通過信號的時域分解，研究其穩(wěn)定分量與波動分量；對信號的相關(guān)分柝，可以研究信號本身或相互間的相似程度；研究信號的幅值的分布狀態(tài)，可以了解信號幅值取值的概率及概率分布情況，此又稱為幅值域分析。測試信號的頻域分析是把信號的幅值、相位或能量變換為以頻率表示的函數(shù)，進(jìn)而分析其頻率特性的一種方法，又稱為頻譜分析。例如，幅值譜、相位譜、能量譜密度、功率譜密度等。對信號進(jìn)行頻譜分析，可以獲得更多的有用信息，是近代信息技術(shù)發(fā)展中的一個重要手段。50年代以前，信號分析技術(shù)主要是模擬分析方法，進(jìn)入50年代，大型通用數(shù)字計(jì)算機(jī)在信號分析中有了實(shí)際應(yīng)用。進(jìn)入60年代，人造衛(wèi)星、宇航探測及通信、雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，對信號分析的速度、分辨能力提出了更離的要求?，F(xiàn)階段是向多功能以】、集成化、智能化發(fā)展，進(jìn)行參數(shù)和動態(tài)測量，是自動化過程控制系統(tǒng)中的重要一環(huán)，其主要是微電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)。傳感器與微計(jì)算機(jī)結(jié)合。形成了進(jìn)行信號測試的軟件系統(tǒng)。目前信號分析技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)是1在線實(shí)時的能力提高；2分辨力和運(yùn)算精度的提高；3擴(kuò)大和發(fā)展新的專用功能；4專用機(jī)構(gòu)小型化，性能標(biāo)準(zhǔn)化，價格低廉。本文研究的振動信號采集與分析系統(tǒng)，基于上述發(fā)展目標(biāo)。內(nèi)容包括振動測試和模態(tài)分析技術(shù)兩大部分。1振動測試技術(shù)無論機(jī)械、海洋平T4J、土木工程結(jié)構(gòu)I刪、船舶、橋梨N】等大型結(jié)構(gòu)建筑物，還是工件爭1L】、電腦主板、人體1121等結(jié)構(gòu)，振動都是一種常見的現(xiàn)象。多數(shù)情況下，振動是有害的，振動影響機(jī)械設(shè)備的性能和壽命。影響大型建筑物的安全性，影響新產(chǎn)品的合格性等。盡管振動的理論研究已經(jīng)發(fā)展到了很商的水平，但是由于實(shí)踐中遇到的振動2基于姒TLB的振動信號采集與分析系統(tǒng)的研究問題遠(yuǎn)比理論所設(shè)想的復(fù)雜得多，復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的許多參數(shù)，如阻尼參數(shù)和邊界條件，還只能通過試驗(yàn)來確定，理論的正確與否還必須通過實(shí)踐來驗(yàn)證。這使得振動測試在工程技術(shù)中起著重要作用。工程中的振動測試主要有如下幾部分的作用對工作的結(jié)構(gòu)或部件的振動進(jìn)行實(shí)時測量和分析，測量的內(nèi)容包括振動強(qiáng)度、頻譜等以及一些更深入的分析。這些測量有助于人們了解被測結(jié)構(gòu)的振動狀況和尋找振動源。測定結(jié)構(gòu)或部件的動態(tài)特性陋塒。這是以某種激勵力作用在被測結(jié)構(gòu)上。使它產(chǎn)生受迫振動，同時測定輸入和輸出，并以此確定被測結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)，然后進(jìn)行模態(tài)分析，求得各階模態(tài)的動態(tài)參數(shù)。對新產(chǎn)品進(jìn)行振動試驗(yàn)。確定產(chǎn)品是否到達(dá)合格標(biāo)準(zhǔn)所要求的性能。對新材料進(jìn)行振動測試，測試其硬度等性能指標(biāo)。進(jìn)行結(jié)構(gòu)振動的模擬【刀試驗(yàn)，尋找結(jié)構(gòu)的最大抗震限度或者模擬現(xiàn)場結(jié)構(gòu)物的受振情況，進(jìn)行故障診斷或?qū)ふ移茐脑吹取?模態(tài)分析技術(shù)模態(tài)分析技術(shù)是用于對機(jī)械系統(tǒng)、土建結(jié)構(gòu)、橋梁等幾乎無所不包的工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)分析的現(xiàn)代化方法和手段。模態(tài)分析的最終目標(biāo)是識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障診斷及預(yù)報以及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)M141。模態(tài)分析可定義為對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的解析分析和試驗(yàn)分析，其結(jié)構(gòu)動態(tài)特性用模態(tài)參數(shù)來表征。在解析分析中，模態(tài)參數(shù)是力學(xué)系統(tǒng)運(yùn)動微分方程的特征值和特征向量；在試驗(yàn)分析中，模態(tài)參數(shù)試驗(yàn)測得系統(tǒng)的固有頻率【協(xié)、阻尼比和模態(tài)振型。目前，對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的預(yù)測、測試和修改已經(jīng)不是一傳十分困難的事，其中，模態(tài)分析技術(shù)成為了最重要的技術(shù)之一。模態(tài)分析技術(shù)主要是指試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)。所謂試驗(yàn)分析技術(shù)是利用振動測試、信號處理和參數(shù)識別的方法，獲得表征結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的模態(tài)參數(shù)的一種動態(tài)分析方法。它通過對結(jié)構(gòu)的輸入激勵和輸出響應(yīng)的測試，在模態(tài)參數(shù)未知的情況下，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號處理，通過參數(shù)識別找出振動系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，建立結(jié)構(gòu)的模態(tài)模型，非常直觀地了解各階模態(tài)振動的情況，可以為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于MT啪韻振動信號采集與分析系統(tǒng)的研究部門設(shè)計(jì)和修改等正是由于試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)巨大的工程實(shí)用價值，使其成為利用振動理論解決工程問題的最重要、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)手段。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析可分為以下幾個主要環(huán)節(jié)1激振技術(shù)為了測得結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，有時需要人為地給結(jié)構(gòu)加入一個激振源，這就是所謂的激振技術(shù)激振技術(shù)分為【1嘲穩(wěn)態(tài)正弦激振和寬頻帶激振兩大類。穩(wěn)態(tài)正弦激振是振動測試中的經(jīng)典方法，六十年代，跟蹤濾波器開發(fā)成功，穩(wěn)態(tài)正弦激振成為試驗(yàn)?zāi)B(tài)主要的也是唯一的方法。七十年代以來，隨著以FFT為核心的動態(tài)信號分析儀的出現(xiàn)和廣泛使用，各種寬頻帶激振方法相繼提出和推廣。寬頻帶激振與VWR快速傅立葉變換分析配合，逐漸成為試驗(yàn)?zāi)B(tài)中的主要激振方法寬頻帶激振主要包括瞬態(tài)激振、階躍激振、快速正弦激振、偽隨機(jī)激振、純隨機(jī)激振、周期隨機(jī)激振和瞬態(tài)隨機(jī)激振等。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法，最早采用單點(diǎn)穩(wěn)態(tài)正弦激振實(shí)驗(yàn)方法，在新的分析方法推動下，發(fā)展為多點(diǎn)寬頻帶激振實(shí)驗(yàn)方法，以及瞬態(tài)脈沖激振、隨機(jī)激振及多點(diǎn)多次激振等方法，它們各有其特點(diǎn)及適用范圍。2測試技術(shù)六十年代主要采用穩(wěn)態(tài)正弦激振和測試技術(shù)，航空航天業(yè)界主要方法是基于多點(diǎn)激振的相位共振技術(shù)，機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品則在基于正弦慢掃頻激振的頻率響應(yīng)測試儀開發(fā)成功后，利用實(shí)頻、虛頻特性的相位分離技術(shù)或?qū)Ъ{圓擬合的識別方法來確定被測結(jié)構(gòu)得的動力特性。七十年代，試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)蓬勃發(fā)展，基于快速傅立時變換的動態(tài)測試技術(shù)和在小型計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的多自由度頻域、時域模態(tài)識別方法，成為試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的主流，并在各種機(jī)械工程以及航空、航天、汽車、艦船、土建、化工、冶金等領(lǐng)域普遍應(yīng)用推廣。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析不僅直接應(yīng)用于振動捧故，而且用于有限元數(shù)學(xué)模型優(yōu)化、結(jié)構(gòu)動力學(xué)修改以及系統(tǒng)建模與優(yōu)化設(shè)計(jì)。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的應(yīng)用反過來又對試驗(yàn)?zāi)B(tài)技術(shù)提出了更高的要求。八十年代，試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，無論是激振、測試技術(shù)、測試設(shè)備、FRF頻響函數(shù)估計(jì)和模態(tài)識別方法都有新的突破，進(jìn)入了一個嶄新的階段多輸入4基于MATLAB的振動信號采集與分析系統(tǒng)的研究頻響函數(shù)測試技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，為發(fā)展現(xiàn)代的多輸出識別方法奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)代的多輸入多輸出識別方法，能量分布合理，試驗(yàn)時間短，識別精度高。圖11模態(tài)分析的各個環(huán)節(jié)3模態(tài)參數(shù)識別模態(tài)參數(shù)的識別是系統(tǒng)識別的一種有很多工程實(shí)際問題，系統(tǒng)的物理特性、物理參數(shù)、其所服從的力學(xué)規(guī)律，是完全不知道的所謂BLACKBOX或不完全知道的所謂GREYBOX。按著一定的準(zhǔn)則，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的方法，來建立振動的數(shù)學(xué)模型可以是數(shù)學(xué)公式，也可以是數(shù)學(xué)表格、曲線或計(jì)算程序，稱為系統(tǒng)識別。以試驗(yàn)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的物理參數(shù)120L如質(zhì)量、阻尼和剛度來建立參數(shù)模型如運(yùn)動方程的系統(tǒng)識別，稱為參數(shù)識別而對非參數(shù)如頻響函數(shù)、脈沖響應(yīng)函數(shù)模型的識別，稱為非參數(shù)識別。識別參數(shù)模型通常要困難一些。若用模態(tài)參數(shù)主要是指頻率、振型來描述系統(tǒng)的動特性，這種參數(shù)識別就稱為模態(tài)參數(shù)識別而對物理參數(shù)即結(jié)構(gòu)參數(shù)模型的識別，稱為物理參數(shù)識別。進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別時，按識別是在頻率域進(jìn)行還是在時問域進(jìn)行，模態(tài)參數(shù)識別可分為頻域識別和時域識別。頻域模態(tài)參數(shù)識別是利用頻響函數(shù)的測試數(shù)據(jù)，提取模態(tài)參數(shù)的方法。時域模態(tài)參數(shù)識別是利用振動響應(yīng)自由響應(yīng)、脈沖函數(shù)響應(yīng)、白嗓聲激勵響應(yīng)的時間歷程數(shù)據(jù)，進(jìn)行參數(shù)識別的方法?；贛N加的振動信號采集與分析系統(tǒng)的研究頻域法發(fā)展較早，也較成熟因頻域法的物理概念清楚直觀，不易遺漏模態(tài)或產(chǎn)生虛假模態(tài)，精度高，抗噪能力強(qiáng)，故至今仍是模態(tài)參數(shù)識別的主要方法在廣泛應(yīng)用。但頻域法需有輸入輸出的實(shí)測數(shù)據(jù)，并需將實(shí)測的激勵和響應(yīng)得時域信號，變換成頻域信號，求得頻響函數(shù)，再識別模態(tài)參數(shù)。此外，頻域法要求數(shù)據(jù)的信噪比比較高，故頻域法多在試驗(yàn)室內(nèi)或中、小型結(jié)構(gòu)上使用。時域法是近20多年來隨著電子計(jì)算機(jī)發(fā)展而迅速發(fā)展起來的模態(tài)參數(shù)識別方法，它直接利用系統(tǒng)響應(yīng)的時間歷程，不需要激勵信息，即可進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識別，故便于在現(xiàn)場運(yùn)行條件下，進(jìn)行“在線”識別，這對動態(tài)監(jiān)控和故障診斷12L】十分方便，特別是激勵荷載很難測量的情況下，時域法更顯出其獨(dú)特的優(yōu)越性此外，時域法可用于任何阻尼，也不受模態(tài)耦合的限制，并可直接估計(jì)物理參數(shù)時域法目前存在的主要問題是精度低；對噪聲很敏感，故常引起虛假模態(tài)的出現(xiàn)；無輸入數(shù)據(jù)，故不能求得完整的模態(tài)；由于儀器處理的工作轉(zhuǎn)到計(jì)算機(jī)中去，故數(shù)據(jù)處理工作量大。這些問題有待進(jìn)一步解決。時域識別法【2L】可分為兩類一類是在結(jié)構(gòu)動力學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的IBRAHJIN時域法簡稱為RFD法，該方法通過解特征方程來獲得模態(tài)參數(shù)，利用最小二乘法提高精度；另一類是從自動控制和信息工程中引入的方法，如ALTMA時序法、卡爾曼濾波法等。模態(tài)分析技術(shù)現(xiàn)階段主要應(yīng)用以下幾個方面評價現(xiàn)有結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性在處理結(jié)構(gòu)的振動問題時，必須對其動態(tài)特性有全面的了解。結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性通常用各階模態(tài)參數(shù)如模態(tài)頻率、阻尼比及模態(tài)振型等來描述。通過對結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析可以求得上述動態(tài)特性參數(shù)，從而評價結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性是否符合要求，并校驗(yàn)理論計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性雖然可用有限元方法計(jì)算，但是由于實(shí)際結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在建立有限元模型時所引進(jìn)的一系列人為假設(shè)往往很難與實(shí)際結(jié)構(gòu)相符，因此，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況往往不相吻合。模態(tài)分析是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的，因此，所得到的動態(tài)特性參數(shù)比較準(zhǔn)確，特別是可以識別系統(tǒng)的阻尼。在新產(chǎn)品中設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的預(yù)估及優(yōu)化設(shè)計(jì)6基于MTLB的振動信號采集與分析系統(tǒng)的研究在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，通常采用有限元分析方法計(jì)算結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，但是，正如上面所指出的，由于在建立有限元模型時，在邊界條件的處理及力學(xué)模型的簡化上，往往與實(shí)際結(jié)構(gòu)相差較大。用模態(tài)分析得到的模態(tài)參數(shù)對有限元模型進(jìn)行修改，使其更能符合實(shí)際，從而提高有限元分析的精度。用模態(tài)分析的結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力修改，使動力特性到達(dá)預(yù)定的要求，并使其優(yōu)化，這亦是模態(tài)分析的目標(biāo)之一模態(tài)分析進(jìn)入產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，并與有限元、CAD、CAT、CAE相結(jié)合構(gòu)成所謂“理想設(shè)計(jì)過程”IDEALDESIGNPROCESS，是模態(tài)分析技術(shù)的一個發(fā)展方向。診斷及預(yù)報結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障近年來結(jié)構(gòu)故障技術(shù)發(fā)展迅速，而模態(tài)分析已經(jīng)成為故障診斷的一個重要方法。利用結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的改變來診斷故障是一種有效的方法例如根據(jù)模態(tài)頻率的變化，可以判斷裂紋的出現(xiàn)根據(jù)振型的分析，可以確定斷裂的位置；根據(jù)轉(zhuǎn)子支承系統(tǒng)阻尼的改變，可診斷與預(yù)報子系統(tǒng)的失穩(wěn)等等。控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲結(jié)構(gòu)輻射噪聲是由于結(jié)構(gòu)振動所引起的。結(jié)構(gòu)振動時，各階模態(tài)對噪聲的“貢獻(xiàn)”并不相同，對噪聲貢獻(xiàn)較大的幾階模態(tài)成為“主導(dǎo)模態(tài)”。抑制或調(diào)整主導(dǎo)模態(tài)，便可以降低噪聲。而主導(dǎo)模態(tài)的確定，必須建立在試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的基礎(chǔ)上。識別結(jié)構(gòu)的荷載某些結(jié)構(gòu)在工作時所承受的荷載很難測量，這時，可以通過實(shí)測響應(yīng)和由模態(tài)分析所得到的模態(tài)參數(shù)來加以識別。此方法在航空、航天及工程中應(yīng)用廣泛。12國內(nèi)外振動信號采集與分析軟件的現(xiàn)狀國內(nèi)外大型的動態(tài)信號測試與分析軟件，尤其是模態(tài)分析軟件發(fā)展迅速。隨著MATLAB編程語言的問世，在MATLAB強(qiáng)大的計(jì)算功能基礎(chǔ)上，丹麥BK公司的設(shè)計(jì)師開發(fā)出了最新的模態(tài)分析軟件MEMEOPEVES，它可以對機(jī)械結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性進(jìn)行分析和計(jì)算，同時能在被測結(jié)構(gòu)的三維模型上顯示振動、聲強(qiáng)及其它一些工業(yè)數(shù)據(jù)，MESCOPE、，ES瞄1軟件還可以顯示一個大型結(jié)構(gòu)的工作振型ODS、模態(tài)振型、應(yīng)力應(yīng)變、溫度、壓力等。通過多年的實(shí)踐檢驗(yàn)和改進(jìn)加基于IATLA8的振動信號采集與分析系統(tǒng)的研究上MESCOPEVES軟件的強(qiáng)大功能，目前全世界一些大型企業(yè)都在使用這套模態(tài)分析軟件，使其成為了一套全球化的軟件系統(tǒng)髓著試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析技術(shù)的日趨完善，伴隨著BK公司在這方面的成功，國外一些成熟的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析系統(tǒng)也相繼誕生，如比利時LMS23J公司的CADAX系統(tǒng)，美國MTS24公司的IDEAS系統(tǒng)，美國N產(chǎn)5L公司的數(shù)據(jù)采集軟件，MP261公司的SMARTOIFICE,日本RIONL271公司的DSPS動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)、MAS模態(tài)分析軟件等。相比國外，國內(nèi)開發(fā)的動態(tài)信號采集與分析軟件系統(tǒng)也在不斷涌現(xiàn)。其中具有代表性的有DASI動態(tài)信號分析與故障診斷系統(tǒng)、北京東方振動與噪聲技術(shù)研究所的DASP2S系統(tǒng)、南京航空航天大學(xué)的VAMS29系統(tǒng)、北京波譜科技有限公司開發(fā)的VIBSYS30L振動信號采集、處理和分析軟件V102等。它們在信號采集、譜分析、模態(tài)參數(shù)識別等方面都有自己的優(yōu)點(diǎn)，在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、故障診斷、試驗(yàn)教學(xué)等方面發(fā)揮著重要作用。然而，綜觀國內(nèi)開發(fā)的這些大型軟件，可以看出它們需要解決以下問題1上述大型軟件的開發(fā)采用了各種編程語言相結(jié)合、取各自所長進(jìn)行配合使用的手段進(jìn)行開發(fā)，如數(shù)據(jù)采集程序使用匯編語言編寫，同時利用C編寫計(jì)算程序，而主界面的開發(fā)采用LABVIEW2230進(jìn)行開發(fā)。這樣盡管可以揚(yáng)長避短，但是不利于開發(fā)成員之間程序的通用性。同時如果用C或匯編語言編寫計(jì)算程序，加大了程序開發(fā)的難度也增加了程序的復(fù)雜性，降低了編程的效率。2上述軟件在開發(fā)的過程中，所采用的硬件設(shè)備都是單一的，如美國NI公司的數(shù)據(jù)采集軟件采用的硬件是本公司的NL數(shù)據(jù)采集卡，并不附帶與其它硬件連接的驅(qū)動程序，也就是說，上述大部分軟件的硬件不具有多樣性，所以這樣做的結(jié)果就是不利于整個程序的通用性和硬件的可擴(kuò)展性。3上述大部分軟件不能實(shí)時地采集數(shù)據(jù)以及實(shí)時地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。本文利用MATLAB的數(shù)據(jù)采集工具箱和信號處理工具箱實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和分析的實(shí)時性。4上述模態(tài)分析軟件大多只適用于進(jìn)行試驗(yàn)測試，即局限于在實(shí)驗(yàn)室【31鍘使用，這是因?yàn)檐浖捎玫哪B(tài)參數(shù)識別方法主要是頻域法，依據(jù)結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的頻響函數(shù)。但是，大多數(shù)情況下結(jié)構(gòu)所受荷載是未知的。所以，頻域法識別結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)具有一定的局限性。本文編寫了荷載未知條件下利用隨機(jī)8基于IIAIL蛆的振動信號采集與分析系統(tǒng)的研究減量法進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識別的程序，進(jìn)一步完善了上述軟件的不足。13論文研究的主要內(nèi)容振動信號采集與分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能需按照常規(guī)測試的流程進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)進(jìn)行采集時，首先，由傳感器將結(jié)構(gòu)的振動信號輸入到電荷放大器，再由電荷放大器輸送到數(shù)據(jù)采集卡，接著輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行一系列的處理和分析。在上述流程中，要實(shí)現(xiàn)的基本功能如下首先，振動信號測試中由傳感器得到的數(shù)據(jù)在大多數(shù)情況下與真實(shí)的振動信號之間存在一定的差距，所以未經(jīng)分析處理、修正，直接采用測試得到的振動信號作為結(jié)果往往會產(chǎn)生誤差，有時甚至得出錯誤結(jié)論。振動信號處理就是通過一些數(shù)學(xué)運(yùn)算方法對振動測試所得的信號進(jìn)行加工，去偽存真，計(jì)算出我們需要了解的內(nèi)容，以便做進(jìn)一步的分析研究。振動信號處理關(guān)心的是振動信號的表示【2113射、變換和運(yùn)算以及振動信號所包含的信息。通過傳感器、放大器或中間變換和數(shù)據(jù)采集儀對被測試物體進(jìn)行振動測試所得的信號由于測試過程中測試系統(tǒng)外部和內(nèi)部各種因素的影響必然在輸出過程中夾雜著許多不需要的成分。這樣就需要對所得信號作初步處理，修正波形的畸變，剔除混雜在信號中的噪聲和干擾，削弱信號中多余內(nèi)容，強(qiáng)化突出感興趣的部分，使初步處理的結(jié)果盡可能地還原成實(shí)際信號。通常振動信號預(yù)處理包括【111消除多項(xiàng)式趨勢項(xiàng)，可將由于基線偏離所造成的波形畸變加以修正；平滑處理消除混雜于信號中的高頻噪聲的干擾和影響。其次，振動信號的時域處理又稱為波形分析，主要是對時域波形信號的分析處理。濾波F3334】是時域信號處理的重要內(nèi)容根據(jù)需要，濾除或保留實(shí)測信號波形的某些頻率成分可通過濾波處理來實(shí)現(xiàn)。波形的最大值、最大值、有效值，分析波形與波形之間的相似程度的相關(guān)函數(shù)以及將位移、速度和加速度進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的積分和微分變換也屬于振動信號的時域處理的范疇。對于隨機(jī)振動信號的時域處理，除了上述處理方法外，更常用的是一些概率和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，如概率分布函數(shù)、概率密度函數(shù)、均值、相關(guān)分析等。再次，進(jìn)行信號的頻域處理。頻域處理是建立在傅立葉變換基礎(chǔ)上的時頻變換，處理得到的結(jié)果是以頻率為變量的函數(shù)，稱為譜函數(shù)。頻域處理的主要方法是傅立葉變換，通過傅立葉變換得到結(jié)果的實(shí)虛部可轉(zhuǎn)換為幅值譜和相位9基于INTLAB的振動信號采集與分析系統(tǒng)的研究譜。隨機(jī)振動信號的頻域處理主要以功率譜密度函數(shù)為基本函數(shù)通過自功率譜函數(shù)和互功率譜函數(shù)可以導(dǎo)出相干函數(shù)和頻響函數(shù)。頻響函數(shù)是試驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)識別的基礎(chǔ)。最后，試驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)識別試驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)識別是通過實(shí)測振動信號數(shù)據(jù)對所測結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼比和振型等動力特性參數(shù)進(jìn)行識別的處理方法。模態(tài)參數(shù)識剔方法適用于線性時不變系統(tǒng)。試驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)識別方法分為頻域識別法和時域識別法兩類方法。系統(tǒng)研究內(nèi)容的大致框架如圖12所示。本文將基于PC機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)一套面向工程應(yīng)用的振動信號采集與分析系統(tǒng)。論文的具體研究內(nèi)容如下1基于MATLAB的數(shù)據(jù)采集工具箱，開發(fā)多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。包括開發(fā)實(shí)時數(shù)據(jù)采集程序、數(shù)據(jù)顯示與存儲程序、人機(jī)交互界砸等。2基于MATLAB的信號處理工具箱以及MATLAB庫函數(shù)功能，開發(fā)實(shí)時數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。包括利用MATLAB的庫函數(shù)和遞歸調(diào)用算法開發(fā)實(shí)時數(shù)據(jù)分析程序、利用MATLAB信號處理工具箱的函數(shù)功能，開發(fā)諸如消除多項(xiàng)式趨勢項(xiàng)、濾波包括四種數(shù)字濾波器、頻譜函數(shù)、自功率譜函數(shù)等數(shù)據(jù)分析程序、利用MATLAB的人機(jī)喬面功能，開發(fā)友好的界面系統(tǒng)。3基于MATLAB的繪圖功能，開發(fā)幾何模型生成模塊。利用MATLAB強(qiáng)大的繪圖功能，實(shí)現(xiàn)二維、三維幾何模型的生成，為結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)識別建立了基礎(chǔ)4開發(fā)模態(tài)參數(shù)識別系統(tǒng)首先，編寫結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)識別程序，包括時域識別法和頻域識別法頻域法主要包括導(dǎo)納圓擬和法、最小二乘迭代法、有理分式多項(xiàng)式法等，時域法包括ITD法、隨機(jī)減量法、STD法等。然后，編寫振型動畫顯示程序。5利用MATLAB的GUI人機(jī)界面功能開發(fā)簡潔、功能齊全、友好的人機(jī)界面系統(tǒng)。IO基于NRIAB的振動信號采集與分析系統(tǒng)的研究圖12論文的研究框架基于ILATLAB的振動信號采集與分析系統(tǒng)的研究2系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)基于MATLAB編程語言，利用PC機(jī)高性能多功能數(shù)據(jù)采集卡軟件系統(tǒng)的形式實(shí)現(xiàn)通用的振動信號實(shí)時采集與分析系統(tǒng)。21軟件設(shè)計(jì)的基本思想與特點(diǎn)應(yīng)用軟件的開發(fā)蚓突破了傳統(tǒng)儀器以硬件為主體的模式，它充分利用現(xiàn)有計(jì)算機(jī)資源，配以獨(dú)特設(shè)計(jì)的軟硬件，實(shí)現(xiàn)普通儀器的全部功能以及一些在普通儀器上無法實(shí)現(xiàn)的功能。使用者操作具有測試軟件的計(jì)算機(jī)進(jìn)行測量，通過友好的圖形用戶界面，以點(diǎn)擊菜單來達(dá)到觀測計(jì)算等操作目的，猶如在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺測試儀器。傳統(tǒng)儀器的硬件是其關(guān)鍵，功能由廠商定義，因此其擴(kuò)展性能較低。而實(shí)用的工程軟件是以計(jì)算機(jī)硬件為平臺，由傳感器、硬件接口卡以及應(yīng)用軟件函數(shù)庫構(gòu)成虛實(shí)并存的測量系統(tǒng)，軟件是其關(guān)鍵。與傳統(tǒng)儀器相比，工程應(yīng)用軟件去掉了儀器箱、操作面板、電源以及顯示電路等許多實(shí)體部件，具有強(qiáng)大的計(jì)算功能和圖形化功能，是儀器智能化、集成化、遠(yuǎn)程化以及測控一體化設(shè)計(jì)的典型范例。其主要特點(diǎn)如下1由于其以PC機(jī)為核心，使得許多數(shù)據(jù)處理的過程不必像過去那樣由測試儀器本身來完成，而是在軟件的支持下，利用PC機(jī)CPU的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能來完成，使得基于工程應(yīng)用軟件的測試系統(tǒng)的測試精度、速度大為提高，可實(shí)現(xiàn)自動化、智自E化、多任務(wù)測量2可方便地存儲和交換測試數(shù)據(jù)，測試結(jié)果的表達(dá)方式更加豐富多樣。3工程應(yīng)用軟件可在較高性價比的條件下，降低系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用，縮短技術(shù)更新周期。22系統(tǒng)的主要構(gòu)成模塊系統(tǒng)模塊構(gòu)成如圖21所示。其基本構(gòu)成包括如下幾個方面基于IL艮TLAB的振動信號采集與分析系統(tǒng)的研究圖21模態(tài)分析軟件整體系統(tǒng)框圖1信號采集模塊該系統(tǒng)包括兩大單元1數(shù)據(jù)采集設(shè)置與控制單元。該單元實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)的各種操作，包括各輸入通道采樣頻率的設(shè)置、增益調(diào)整、采樣點(diǎn)數(shù)的設(shè)置等，利用該單元可進(jìn)行連續(xù)采集也可以進(jìn)行定點(diǎn)采集。2數(shù)據(jù)的保存、顯示與回放單元。該單元能夠?qū)崿F(xiàn)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行定時或手動的保存，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示，同時，可以實(shí)現(xiàn)對一定時間，一定通道數(shù)據(jù)的回放功能。2信號分析模塊該模塊主要包括以下幾部分功能信號的預(yù)處理、信號的時域分析、信號的頻域分析等功能。預(yù)處理部分提供信號的消除趨勢項(xiàng)處理、平滑處理等，第二部分主要包括信號的濾波處理，第三部分主要包括信號的各種譜分析功能的實(shí)現(xiàn)。3模態(tài)分析模塊該模塊的功能主要包括以下兩部分幾何模型的建立和模態(tài)參數(shù)的識別。幾何模型的建立可以實(shí)現(xiàn)多維幾何模型的建立；模態(tài)參數(shù)識別的方法包基于IIATIA8的振動信號采集與分析系統(tǒng)的研究括頻域識別法和時域識別法，主要識別模型的固有頻率、阻尼比以及振型。23系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件平臺系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖22所示。被測結(jié)構(gòu)的振動信號經(jīng)傳感器輸入到電荷放大器，經(jīng)電荷放大器將信號放大一定的增益后，信號輸入到多功能數(shù)據(jù)采集卡，然后由多功能數(shù)據(jù)采集卡將采集到的信號輸入到PC機(jī)。最后，采集到的信號經(jīng)過振動信號采集與分析系統(tǒng)進(jìn)行信號的處理。在本系統(tǒng)中，采用的PC機(jī)的CPU主頻為20GHZ，型號為INTELPENTIUMIV，傳感器選用的是CAYD117壓電式陶瓷片，電荷放大器選用YE5857電荷放大器，該儀器具有3位十迸制的傳感器靈敏度調(diào)節(jié)器，可適應(yīng)不同靈敏度的壓電傳感器，以得到歸一化的輸出，有6檔接近10分貝的量程供切換，從而提高信噪比。下面重點(diǎn)介紹系統(tǒng)核心部件一多功能數(shù)據(jù)采集卡本系統(tǒng)采用豹是研華公司L7L】的PCI1712多功能數(shù)據(jù)采集卡主要的性能指標(biāo)如下1模擬輸入通道8路差分?jǐn)?shù)字輸入通道16個輸入模式雙極性或單端分辨率12位最大采樣頻率IMIIZ最大IK字節(jié)的A1緩沖空間，32K字節(jié)的DA緩沖空間具有FIFO緩沖區(qū)21模擬輸出DA轉(zhuǎn)換器2個分辨率；16位輸出范圍0一10V，5斗5V等16個數(shù)字?jǐn)?shù)出通道3個16位可編程計(jì)數(shù)器績時器基于MATL肥的振動信號采集與分析系統(tǒng)的研究被測結(jié)構(gòu)L傳感器IL電荷放大器II數(shù)據(jù)采集卡LPC機(jī)圖22系統(tǒng)硬件構(gòu)成24系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)平臺由于整個振動信號采集與分析系統(tǒng)的硬件是建立在PC機(jī)基礎(chǔ)之上的，所以選擇將相應(yīng)的軟件系統(tǒng)建立在WINDOWSXP操作系統(tǒng)之上。其原因在于，首先振動信號采集與分析系統(tǒng)是一個多任務(wù)系統(tǒng)，而WINDOWSXP是32位視窗操作系統(tǒng)，它集成了新的設(shè)備驅(qū)動程序模型，新的文件系統(tǒng)，32位圖形引擎以及多媒體等予系統(tǒng)，十分適合于多任務(wù)操作，而且它基于WINDOWSNT內(nèi)核系統(tǒng)安全性較高；其次，WINDOWS操作系統(tǒng)的豐富資源，無論是訪問硬件設(shè)備還是編制人機(jī)交互系統(tǒng)都可以有效降低編程工作量；程序設(shè)計(jì)以MATLAB作為編程工具M(jìn)ATLAB是WMDOWS平臺下主要的應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境之一，MATLAB編程語言是一種面向?qū)ο蟮腤INDOWS編程語言，基于MATLAB幾乎可以開發(fā)出WMDOWS應(yīng)用的各方面的程序，從底層軟件一直到直接面向用戶的軟件。另外，研華公司的PCI1712數(shù)據(jù)采集卡提供使用MATLAB來開發(fā)驅(qū)動程序的接口函數(shù)，所以可以很好地建立硬件平臺與軟件平臺之間的聯(lián)系。此外，選擇利用MATLAB語言作為編程工具，主要是因?yàn)镸ATLAB具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算功能，給應(yīng)用系統(tǒng)本身及其開發(fā)帶來很大的改善首先，大量數(shù)學(xué)工具包的直接調(diào)用避免了程序設(shè)計(jì)中的重復(fù)性勞動，使研究開發(fā)的周期和成本得到了控制；其次，由于提供的數(shù)學(xué)工具包都針對運(yùn)算過程和結(jié)果進(jìn)行了基于MATLAB的振動信號采集與分析系統(tǒng)的研究專門的優(yōu)化，減少了開發(fā)人員實(shí)現(xiàn)算法的困難，這將有效地提高應(yīng)用系統(tǒng)的精確度和穩(wěn)定性，在實(shí)踐中有著很高的實(shí)用價值。241MATLAB簡介MATLAB是美國MATHWORKS公司【38】開發(fā)的大型數(shù)學(xué)計(jì)算應(yīng)用軟件系統(tǒng)，它提供了強(qiáng)大的矩陣處理和繪圖功能，簡單易用，可信度高，靈活性好，因而在世界范圍內(nèi)被科學(xué)工作者、工程師以及大學(xué)生和研究生廣泛使用，目前已經(jīng)成為國際市場上科學(xué)研究和工程應(yīng)用方面的主導(dǎo)軟件。掌握MATLAB并借助它解決理論與應(yīng)用問題已經(jīng)成為每一個從事科學(xué)研究和工程技術(shù)人員應(yīng)該具備的技能。MATLAB自1984年推向市場以來，在許多優(yōu)秀程序設(shè)計(jì)和編制人員的不斷努力和卓越貢獻(xiàn)下，經(jīng)過十幾年的完善和擴(kuò)充，使它從一個簡單的矩陣分析軟件逐漸發(fā)展為一個通用性高、帶有規(guī)模大和覆蓋面廣的工具箱、有強(qiáng)大可視化功能的科學(xué)計(jì)算操作平臺。因此MATLAB被譽(yù)為巨人肩上的工具。MATLAB系統(tǒng)的基本函數(shù)庫具有初等函數(shù)、初等矩陣和矩陣變換、包括線性代數(shù)方程組和矩陣特征值問題等數(shù)值線性代數(shù)、多項(xiàng)式運(yùn)算和求根、數(shù)據(jù)分析和傅立葉變換以及某些特殊的矩陣函數(shù)和數(shù)學(xué)函數(shù)等眾多內(nèi)容。MATLAB還包括一系列被稱作工具箱LBO弼F31L的專業(yè)求解工具。工具箱實(shí)際上是MATLAB針對不同學(xué)科、不同專業(yè)所開發(fā)的專用函數(shù)庫，用來求解各個領(lǐng)域的數(shù)值計(jì)算問題，包括數(shù)據(jù)采集工具箱，信號處理工具箱、圖像處理工具箱、小波分析工具箱、控制工具箱等。隨著MATLAB的不斷升級，所含工具箱的功能越來越豐富，規(guī)模越來越龐大，因此，應(yīng)用也越來越廣泛，成為各種專業(yè)科研人員和工程技術(shù)人員的得力工具。MATLAB的另一個特點(diǎn)就是程序的開放性。除內(nèi)部函數(shù)外，所有MATLAB基本函數(shù)文件和左右工具箱的函數(shù)文件都是可以進(jìn)行修改的源文件。用戶可以對源文件進(jìn)行修改，加入自己編寫的內(nèi)容來構(gòu)成新的專用工具箱。MATLAB具有二維、三維曲線和三維曲面繪圖功能，使用方法十分方便。1MATLAB文件F391的輸入輸出文件是程序設(shè)計(jì)的一個重要概念。所謂文件，就是數(shù)據(jù)的集合。通常數(shù)據(jù)以文件的形式存放在計(jì)算機(jī)的外部存儲器上，操作系統(tǒng)以文件為單位對數(shù)據(jù)進(jìn)行16基于LIATILB的振動信號采集與分析系統(tǒng)的研究管理，也就是說，如果想找到外部存儲器上的數(shù)據(jù)，必須先按文件名找到指定的文件，然后再從該文件中讀取數(shù)據(jù)。要向外部存儲器上存儲數(shù)據(jù)也必須建立一個以文件名為標(biāo)示的文件，才能向它輸入數(shù)據(jù)。，和其它高級語言一樣，在對一個文件進(jìn)行讀寫之前應(yīng)該打開該文件，在使用結(jié)束后應(yīng)該關(guān)閉該文件打開的文件在完成讀寫操作后一般需要立即關(guān)閉，刪除文件指針，以免未關(guān)閉的文件指針造成混亂。MATLAB把文件看成字節(jié)的序列，根據(jù)數(shù)據(jù)的組織形式，可分為ASCLL碼文件和二進(jìn)制文件。在實(shí)際應(yīng)用中，用的最多的是有格式的ASCLL碼文件。ASCLL碼文件又稱為文本文件，它的每一個字節(jié)存放一個ASCLL碼，代表一個字符文件位置指針用于對二進(jìn)制文件的讀寫操作。當(dāng)打開一個二進(jìn)制文件時，用戶可調(diào)用有關(guān)函數(shù)將文件指針移動到需要進(jìn)行讀寫操作的某個特定的位置，然后便可以照這個文件指針的位置進(jìn)行讀寫操作。表L是進(jìn)行文件操作的函數(shù)表2MATLAB的矩陣【刪運(yùn)算命令變量在MATLAB語言程序中是最基本的單元，是以矩陣的形式存在的。與其他語言不同的是，MATLAB語言不要求用戶在創(chuàng)建變量的時候進(jìn)行聲明，也不需要指定其大小和類型，MATLAB自動給該變量分配適當(dāng)?shù)膬?nèi)存。MATLAB的變量都以矩陣的形式進(jìn)行存放，所以對矩陣的操作顯得尤為重要。表2給出對于矩陣進(jìn)行操作時的常用函數(shù)。3MATLAB繪圖I11命令前面介紹了MATLAB在數(shù)值計(jì)算方面的強(qiáng)大功能，MATLAB可以處理大量的原始數(shù)據(jù)，得出分析后的數(shù)據(jù)結(jié)果。但是很難從離散的數(shù)據(jù)中得出重要的結(jié)論。因此，數(shù)據(jù)的可視化是人們研究科學(xué)、認(rèn)識世界所不可缺少的手段。MATLAB可以給出數(shù)據(jù)的二維、三維甚至四維的圖形表現(xiàn)。MATLAB提供了兩個層次的圖形命令一種是對圖形句柄進(jìn)行操作的低級圖形命令；另一種是建立在低級命令之上的高級命令。MATLAB語言提供了一套功能強(qiáng)大的圖形程序，為計(jì)算過程和結(jié)果的可視化提供了極佳的手段。表3列出了振動信號處理中的需要經(jīng)常用到的圖形函數(shù)?；阪LB的振動信號采集與分析系統(tǒng)的研究表1文件命令函數(shù)函數(shù)名函數(shù)功能FOPEN打開文件FCLOSE關(guān)閉文件FREAD讀取二進(jìn)制的文件FWRITE將數(shù)據(jù)寫入二進(jìn)制文件FSCANF讀取有格式文件的數(shù)據(jù)FPRINTF將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字符并寫入到有格式文件中或顯示在計(jì)算機(jī)屏幕FGETS按字符格式讀取文件的一行數(shù)據(jù)FGOTL按字符格式讀取文件一行數(shù)據(jù)，但不包括結(jié)束符88CANF按指定格式從字符串讀取數(shù)據(jù)SPRINFF將格式化的數(shù)據(jù)寫入與字符串中FSEEK移動位置指針到文件的一指定位置FTDL獲取當(dāng)前文件位置指針?biāo)诘奈恢肍TEWIND重設(shè)文件位置指針到文件的開頭處FEOF檢查文件位置指針是否到達(dá)文件尾部FERROR查詢MATLAB關(guān)于文件輸入和輸出操作出錯的信息函數(shù)SAVE保存變量到指定的文件LOAD從指定的文件調(diào)用變量到工作空間表2矩陣運(yùn)算命令函數(shù)名函數(shù)功能函數(shù)名函數(shù)功能ABS復(fù)數(shù)模MEDIAN中位值REAL復(fù)數(shù)實(shí)部STD標(biāo)準(zhǔn)差I(lǐng)MAG復(fù)數(shù)虛部SIZE矩陣大小ANGLE相位角SORT從小到大排序UNWRAP相位角展開LENGLII向量的維數(shù)MIN最小值S啪總和M8X最大值MOD模除求余ME齜平均值基于MTLB的振動信號采集與分析系統(tǒng)的研究表3繪圖命令函數(shù)名函數(shù)功能函數(shù)名函數(shù)功能FIGURE創(chuàng)建圖形窗口BOX箱形坐標(biāo)軸設(shè)置P10T繪制二維折線圖形XABEL添加坐標(biāo)軸標(biāo)注SUBPLOT定義子圖形區(qū)域TITLE添加圖形名稱CLF清除圖形窗口LEGEND添加圖例PLOT3繪制三維折線圖形TEXT添加文本字符串AXIS坐標(biāo)軸設(shè)置HOLD圖形保持GRID坐標(biāo)網(wǎng)格線設(shè)置ZOOM圖形縮放以上介紹了開發(fā)振動信號采集與分析系統(tǒng)的過程中應(yīng)用到主要函數(shù)。242MATLAB圖形用戶界面功能在WINDOWS操作系統(tǒng)出現(xiàn)之前，計(jì)算機(jī)用戶面對的界面一直都是以DOS為代表的一系列字符，既單調(diào)乏味，操作又極其不便，令初學(xué)者望而生畏。然而隨著WINDOWS操作系統(tǒng)的到來，圖形用戶界面在人機(jī)交互方式中逐漸占據(jù)了主導(dǎo)地位。圖形用界面是計(jì)算機(jī)用戶與計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行通信、交互的方式，是用戶與計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息交流的方式。圖形用戶界面【41】GUD包含窗口、菜單、控制框、對話框等各種圖形對象的用戶界面。它給用戶帶來了方便、快捷、實(shí)用。L圖形句柄概述句柄圖形是一種面向?qū)ο蟮膱D形設(shè)計(jì)系統(tǒng)得概念，是對圖形底層的總稱。通過操作圖形句柄，可以很方便地處理MATLAB的圖形。MATLAB語言中的句柄圖形對象如表4所示2控件設(shè)計(jì)在進(jìn)行人機(jī)界面的設(shè)計(jì)過程中，控件的設(shè)計(jì)是其基礎(chǔ)部分之一表5列出了MATLAB控件屬性STYLE的設(shè)置值。19基于鼬TL硒的振動信號采集與分祈系統(tǒng)的研究表4旬柄圖形對象函數(shù)句柄圖形對象函數(shù)對應(yīng)的句柄圖形用戶界面控件UICONTR01可編程的用戶界面控件用戶界面菜單U咖圖形窗口的可編程菜單圖形窗口FFIGAE圖形窗口用戶界面上下文菜單UICONTEXTMENU與其他圖形相聯(lián)系得上下文菜單文本TEXT圖形窗口中的文本表5MATLAB語言GUI設(shè)計(jì)控件的STYLE屬性值控件名STYLE屬性值文本框文件BDIT靜態(tài)文本控件TEXT列表框控件LISTBOX按鈕控件PUSHBUTTON復(fù)選框控件CHEEKBOX彈出式菜單控件POPUPMENU圖文框控件FRAME單選按鈕控件RADIOBUTTON3對話框在GUI圖形用戶界面設(shè)計(jì)中，菜單設(shè)計(jì)和控件設(shè)計(jì)是兩項(xiàng)非常重要的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)內(nèi)容；除此之外，對話框的設(shè)計(jì)也是極其重要的。對話框是彈出顯示的單獨(dú)專用窗口，用來要求或提供信息。通過實(shí)用對話框中的按鈕，用戶可以通知計(jì)算機(jī)自己的選擇信息，還可以將一些參數(shù)傳遞給計(jì)算機(jī)，而計(jì)算機(jī)也可以通過對話框?qū)⒁恍┬畔⒎答伣o用戶。MATLAB提供了大量的建立專用對話框的函數(shù)，非常方便用戶的設(shè)計(jì)，同時也保證了圖形設(shè)計(jì)界面的規(guī)范統(tǒng)一。表6列出了MATLAB常用對話框基于GATLAB的振動信號采集與分析系統(tǒng)的研究表6專用對話框函數(shù)對話框函數(shù)對話框類型對話框函數(shù)對話框類型HELPDLG幫助對話框QUESTDLG提問對話框INPUTDLG輸入對話框MSGBOX消息框?qū)υ捒騑AMDLG警告對話框PRINTDLG打印對話框ERRORDLG錯誤提示對話框PAGEDLG圖形位置設(shè)置對話框25本章小結(jié)本章介紹了整個系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)。在簡單介紹了軟件設(shè)計(jì)的基本思想后，詳細(xì)介紹了整個系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)，其中包括硬件系統(tǒng)組成，軟件設(shè)計(jì)平臺，各模塊的具體功能及其編程實(shí)現(xiàn)的主要函數(shù)。在后面的章節(jié)中將分別介紹各模塊的具體設(shè)計(jì)方法。21基于MT啪的振動信號采集與分析系統(tǒng)的研究3信號采集、顯示系統(tǒng)31PCI1712多功能I，O卡基本開發(fā)方法通常在DOS下編寫信號采集與輸出程序時。要求程序員對采集卡的各個IO口的基本性能以及編程規(guī)則必須有清楚的了解，并且直接對計(jì)算機(jī)的底層FO口進(jìn)行讀寫操作，這樣做的結(jié)果是計(jì)算機(jī)的執(zhí)行效率低且容易出錯。研華PCI1712采集卡的驅(qū)動程序中包含有一個動態(tài)鏈接NWADVENTECHDLL，其中包含有一系列對底層IO口進(jìn)行直接操作的函數(shù)，調(diào)用這些函數(shù)即可完成對IO的操作，方便高效且不易出錯。在MATLAB中調(diào)用這些驅(qū)動程序的方法是在MATLAB的命令窗口中鍵入DAQREGISTEZADVANTECH1即可。通過這種方式就可以建立PCI1712采集卡與軟件平臺MATLAB之問的聯(lián)接，然后就可以利用MATLAB的數(shù)據(jù)采集工具箱編制相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集程序進(jìn)行采集。3F2數(shù)據(jù)采集的緩沖技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，外設(shè)也在發(fā)展，速度也在不斷提高，但它與CPU的速度仍相差甚遠(yuǎn)。這樣就出現(xiàn)了CPU處理數(shù)據(jù)的速度與外設(shè)FO速度不匹配的情況。引入緩沖區(qū)的主要目的M刪一是緩和CPU和FO設(shè)備之間速度不匹配的矛盾；二是提高CPU、通道與的設(shè)備問的并行性。常規(guī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用單緩沖粥哪技術(shù)，即系統(tǒng)首先在內(nèi)存開辟一段緩沖區(qū)，然后執(zhí)行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)定量的數(shù)據(jù)點(diǎn)填滿緩沖區(qū)后，系統(tǒng)停止采集，取出數(shù)據(jù)，執(zhí)行處理、顯示、存盤等操作。由于受緩沖區(qū)容量M的制約，通常一段時間后必須停止采集，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等操作，所以，不能長時問實(shí)時工作。針對上述單緩沖的缺陷，本文采用數(shù)據(jù)采集卡的FIFO緩沖區(qū)【糾，】與CPU緩沖區(qū)相結(jié)合的方法，開發(fā)實(shí)時數(shù)據(jù)采集程序。FIFOFIRSTINFIRSTOUT稱為先進(jìn)先出電路，是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)先進(jìn)先出的存儲器件，普遍用作數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。FIFO通常是雙端口的存儲器，其中一個端口用于寫入數(shù)據(jù)，而另一個端口基于姒TLB的振動信號采集與分析系統(tǒng)的研究用于讀出數(shù)據(jù)。實(shí)時數(shù)據(jù)采集的具體實(shí)現(xiàn)方法【451是數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)首先存儲在自身的FIFO緩沖區(qū)中，然后將其中的一部分調(diào)入PC機(jī)的CPU緩沖區(qū)中，以供數(shù)據(jù)采集程序應(yīng)用。當(dāng)CPU緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)已經(jīng)全部經(jīng)過數(shù)據(jù)采集程序調(diào)用之后，那么就可以將這一部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行保存然后從內(nèi)存中刪除掉，進(jìn)而調(diào)入新的數(shù)據(jù)。由于FIFO具有先進(jìn)先出的特點(diǎn)，那么就可以保證每次調(diào)入的數(shù)據(jù)之間都是連續(xù)的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集。實(shí)時數(shù)據(jù)采集的流程圖如圖31所示。圖31緩沖區(qū)實(shí)時采集數(shù)據(jù)示意圖上述圖L是在緩沖區(qū)未滿情況下的示意圖，全滿情況下與此類似。33多線程技術(shù)331多線程機(jī)制線程【4習(xí)是進(jìn)程內(nèi)的一條執(zhí)行路徑，它包含獨(dú)立的堆棧和CPU寄存器。多線程是指程序中包含多個執(zhí)行流，即在一個程序中可以同時運(yùn)行多個不同的線程來執(zhí)行不同的任務(wù)一個進(jìn)程內(nèi)的所有線程使用同一個32位地址空間，每個線程共享所有的進(jìn)程資源，包括打開的文件、信號標(biāo)識及動態(tài)分配的內(nèi)存等。線程有優(yōu)先級別，優(yōu)先權(quán)較低的線程必須等到優(yōu)先權(quán)較高的線程執(zhí)行完后再執(zhí)行。在搶占式多任務(wù)WINDOWS操作系統(tǒng)下，每個獨(dú)立線程被分配一些CPU時基于14ATI肚的振動信號采集與分析系統(tǒng)的研究間片，操作系統(tǒng)以輪轉(zhuǎn)方式向線程提供時間片，由于每個時間片的時間很短，所以線程的切換和調(diào)度是非?？斓?，對用戶來說仿佛各個線程是同步執(zhí)行的。332線程的分類WINDOWS提供了兩種線程4445第一種為用戶界面線程，這種線程通常用于通過窗口接收用戶輸入，它有自己的消息循環(huán)；第二種為工作線程，這種線程可以理解為一段不停工作的代碼，用來處理一些長時間的操作，但是它沒有消息循環(huán)。如果需要在后臺作一些簡單的計(jì)算，則首先應(yīng)考慮使用工作線程，而當(dāng)后臺線程需要處理比較復(fù)雜的任務(wù)，確切地說，當(dāng)后臺線程的執(zhí)行過程會隨著實(shí)際情況的不同而改變時，就應(yīng)該使用用戶界面線程，以便能對不同的消息作出響應(yīng)333線程問通信的方式通常，一個工作