畢業(yè)論文-回轉(zhuǎn)筒驅(qū)動電機電流實時監(jiān)測系統(tǒng)

HUNANUNIVERSITY畢業(yè)論文論文題目回轉(zhuǎn)筒驅(qū)動電機的電流實時監(jiān)測軟件開發(fā)學生姓名學生學號專業(yè)班級自動化1班學院名稱電氣與信息工程學院指導老師學院院長2015年5月31日湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第Ⅰ頁湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第表4.5所示：表3.1定時器控制方式模式表函數(shù)名函數(shù)值功能定義PCI8932_GATEMODE_POSITIVE_00x0000計數(shù)結(jié)束產(chǎn)生中斷方式PCI8932_GATEMODE_RISING_10x0001可編程單拍脈沖方式PCI8932_GATEMODE_POSITIVE_20x0002頻率發(fā)生器方式PCI8932_GATEMODE_POSITIVE_30x0003方波發(fā)生器方式PCI8932_GATEMODE_POSITIVE_40x0004軟件觸發(fā)選通方式PCI8932_GATEMODE_POSITIVE_50x0005硬件觸發(fā)選通方式表示計數(shù)器的初值用來選擇計數(shù)器的通道，取值為[0,2]7.GetDeviceCNT圖3-SEQ圖_3-\*ARABIC13計數(shù)器子VI湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第26頁功能：獲得各路計數(shù)器當前時刻的計數(shù)值參數(shù)：：設(shè)備對象操作句柄，它應由函數(shù)創(chuàng)建。圖中為第一個I32的值。：取得計數(shù)當前值。：計數(shù)器通道選擇。圖中選擇通道0。在本系統(tǒng)的設(shè)計中，只用一路計數(shù)器CLK0來計數(shù)，計數(shù)的過程是先給計數(shù)器賦一個初值，計數(shù)器開始作減1計數(shù)，當定時器250ms時間到，上次計數(shù)值與當前計數(shù)值的差值就是250ms時間內(nèi)計的脈沖個數(shù)，因為電機的編碼器一轉(zhuǎn)有1000個脈沖，我們?nèi)ト匀徊捎靡莆痪禐V波，取四個差值，令其除以4除以1000乘以1/0.25再乘以60再除以電機轉(zhuǎn)一圈編碼器所轉(zhuǎn)的圈數(shù)就得到電機的轉(zhuǎn)速（r/min）。即為（3-4）計數(shù)程序的框圖如圖3-14所示：湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第27頁圖3-SEQ圖_3-\*ARABIC14轉(zhuǎn)速計算流程圖3.3圖像采集與儲存的編程實現(xiàn)圖像的采集與存儲是本實時監(jiān)測系統(tǒng)中的重要組成部分，它包括了對攝像設(shè)備的使用，圖像的采集與實時顯示，以及圖像的儲存功能。圖像連續(xù)采集的基本流程如圖3-15所示：湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第28頁圖3-SEQ圖_3-\*ARABIC15圖像采集流程圖程序運行時的主界面如圖3-16所示：圖3-SEQ圖_3-\*ARABIC16監(jiān)測程序運行圖湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第29頁上圖左側(cè)為圖像顯示部分，中間是控制部分，包絡(luò)圖像采集按鈕、圖像幀數(shù)顯示、圖像存儲位置、電流數(shù)據(jù)存儲位置、電流大小顯示、電機轉(zhuǎn)速顯示、系統(tǒng)時間顯示，右側(cè)為實時電流曲線顯示部分。其中圖像部分一共包括了實時圖像的顯示、圖像采集按鈕、圖像幀數(shù)顯示、圖像儲存位置幾項功能。采集完成后會將所有的圖片儲存在指定位置，實際的儲存效率為4FPS。3.3.1使用VisionAcquisitionSoftware控件采集圖像VisionAcquisitionSoftware是NationalInstruments開發(fā)的用于機器視覺的工具包，可以用來采集、顯示、記錄并檢測各種攝像頭的圖像。其中主要有IMAQ與IMAQdx兩種不同的函數(shù)庫。IMAQ函數(shù)庫主要是由NI認證過了的相機以及NI自己的圖像采集卡所使用的函數(shù)構(gòu)成，都符合DCAM（IEE1394相機之間交換數(shù)據(jù)的協(xié)議）[15]。而使用IMAQdx可以支持更多的相機，也可以支持更多的相機屬性，同時也不需要各個相機都保持統(tǒng)一的屬性格式。通常會在C:\Users\Public\Documents\NationalInstruments\NI-IMAQdx\Data下生成相應的相機屬性文件。圖即為IMAQ、IMAQdx兩種不同的函數(shù)庫。圖3-SEQ圖_3-\*ARABIC17視覺與運動函數(shù)庫由于實驗室并未提供NI官方認證的相機，我們使用普通的USB攝像頭，故只需要湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第30頁用到IMAQdx下的模塊來進行編程。下面介紹一下編程中用到的幾個十分重要的模塊：1.IMAQdxSnapVI：配置，啟動，獲取配置單元采集。在便于編程的應用場合中使用單捕獲是必不可少的部分。如果你調(diào)用這個VI之前調(diào)用IMAQdxOpenCameraVI，IMAQdxSnapVI默認情況下，使用cam0。如果圖像類型與攝像頭的視頻格式不匹配，該VI將其轉(zhuǎn)換到一個合適的圖像類型格式。圖3-SEQ圖_3-\*ARABIC18IMAQdxsnapVI參數(shù)：SessionIn：指定您想重新設(shè)置的攝像機的名稱。默認值是cam0SessionOut：是一個獨特的參考相機，與SessionIn相同2.IMAQdxConfigureGrabVI：配置和開始采集圖像。調(diào)用IMAQdxGrabVI在緩沖區(qū)高速循環(huán)采集圖像并復制圖像。若在調(diào)用IMAQdxOpenCameraVI之前調(diào)用此VI，則IMAQdxConfigureGrabVI默認情況下使用cam0。調(diào)用IMAQdxUnconfigureAcquisitionVI取消獲取圖像的配置。圖3-SEQ圖_3-\*ARABIC19Grab配置VI參數(shù)：SessionIn：指定您想重新設(shè)置的攝像機的名稱。默認值是cam0SessionOut：是一個獨特的參考相機，與SessionIn相同3.IMAQdxGrabVI：獲取輸出圖像的當前幀。在調(diào)用IMAQdxConfigureGrabVI之后才調(diào)用此VI。如果圖像類型與攝像頭的視頻格式不匹配，該VI將其轉(zhuǎn)換到一個合適的圖像類型格式。湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第31頁圖3-SEQ圖_3-\*ARABIC20幀數(shù)輸出VI參數(shù)：SessionIn：是一個獨特的攝像頭?？梢酝ㄟ^調(diào)用IMAQdxOpenCameraVI來得到。SessionOut：是一個獨特的參考相機，與SessionIn相同WaitforNextBuffer?(Yes)：若值為“Yes”，驅(qū)動程序?qū)⒌却乱粋€可用的緩沖區(qū)；若值為“No”，將不會等待下一個可用的緩沖區(qū)，而是返回到最后采集的緩沖區(qū)。BufferNumberOut：是實際獲得的緩沖區(qū)的返回值。4.IMAQdxSequenceVI：配置，啟動，獲取，停止和取消配置一系列采集。調(diào)用此VI獲取多個圖像。調(diào)用此VI之后再調(diào)用IMAQdxOpenCameraVI，則IMAQdxSequenceVI默認情況下，使用cam0。圖3-SEQ圖_3-\*ARABIC21IMAQdx配置VI參數(shù)：SessionIn：指定您想重新設(shè)置的攝像機的名稱。默認值是cam0SessionOut：是一個獨特的參考相機，與SessionIn相同5.IMAQdxOpenCameraVI：打開相機，查詢攝像頭的功能，加載攝像頭的配置文件，并能創(chuàng)建一個獨特的相機。完成后調(diào)用IMAQdxCloseCameraVI。圖3-SEQ圖_3-\*ARABIC22開啟相機VI參數(shù)：CameraControlMode：是圖像廣播期間使用的相機的控制模式。打開相機湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第32頁Controller模式，則是主動配置和獲取圖像數(shù)據(jù)；打開相機Listener模式下，則是從打開Controller模式下的不同主機或目標計算機上被動地獲取圖像數(shù)據(jù)。默認值是控制器模式。SessionIn：指定您想重新設(shè)置的攝像機的名稱。默認值是cam0SessionOut：是一個獨特的參考相機，與SessionIn相同6.IMAQdxCloseCameraVI：停止圖像獲取，釋放獲取圖像所占用的資源并關(guān)閉相機。圖3-SEQ圖_3-\*ARABIC23關(guān)閉相機VI由于我們的要求是能夠使上位機連續(xù)的顯示所采集的圖像，攝像頭的Snap方式不能滿足我們提取圖像的速度要求，所以我們需要使用USB攝像頭的Grab操作。USB設(shè)備在正常工作以前,第一件要做的事就是枚舉，所以USB攝像頭在進行初始化前，需要先執(zhí)行第0步，枚舉系統(tǒng)中的USB攝像設(shè)備，接著：第1步：調(diào)用IMAQUSBInit.vi完成USB攝像頭的初始化工作。第2步：調(diào)用IMAQUSBGrabSetup.vi初始化Grab過程。第3步：調(diào)用IMAQCreate.vi創(chuàng)建圖像數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。第4步：調(diào)用IMAQUSBGrabAcquire.vi快速采集圖像數(shù)據(jù)。第5步：調(diào)用IMAQUSBClose.vi，釋放占有的USB攝像頭。第6步：調(diào)用IMAQDispose.vi，釋放占有的圖像數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。程序如下圖所示：湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第33頁圖3-SEQ圖_3-\*ARABIC24USB攝像頭的連續(xù)圖像采集過程3.3.2利用VisionExpress模塊實現(xiàn)圖像顯示與存儲在攝像頭成功安裝后，可以在NI的Measurement&AutomationExplorer中觀察該攝像頭的驅(qū)動是否可用。圖3-SEQ圖_3-\*ARABIC25NI硬件管理系統(tǒng)NI的Measurement&AutomationExplorer名稱為NIMAX，在此管理軟件內(nèi)可以進行對攝像頭的調(diào)試，抓取，繪制直方圖等多種操作。在確認攝像頭可用之后，我們可以使用VisionExpress對圖像進行在此監(jiān)測系統(tǒng)中的顯示與儲存，此空間具備十分強大的功能，在程序中的實現(xiàn)如圖3-26所示：湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第34頁圖3-SEQ圖_3-\*ARABIC26圖像顯示與存儲的實現(xiàn)由于VisionExpress的設(shè)置參數(shù)較多，下面分別介紹需要用到的參數(shù)功能：(1)SelectAcquisitionSource：圖3-SEQ圖_3-\*ARABIC27SelectAcquisitionSource功能：選擇采集源，里面可以選擇實體IMAQ設(shè)備或者虛擬設(shè)備，在本系統(tǒng)中應當與采集程序中的圖像源相一致。(2)SelectAcquisitionType：湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第35頁圖3-SEQ圖_3-\*ARABIC28SelectAcquisitionType功能：確定采集類型，一般有一下四種方式：單幅抓取內(nèi)處理、連續(xù)采集內(nèi)處理、有限采集內(nèi)處理、有限采集后處理。由于之前我們確定了采集方式為Grab類型，即為連續(xù)采集圖片的模式，所以我們選擇ContinuousAcquisitionwithinlineprocessing，與之前的采集方式相一致。(3)ConfigureAcquisitionSettings圖3-SEQ圖_3-\*ARABIC29ConfigureAcquisitionSettings功能：配置攝像頭的參數(shù)。里面有許多可以調(diào)節(jié)的參數(shù)，例如分辨率、背景光補償模式、亮度、對比度、飽和度、Gamma值等等，這些參數(shù)可以手動設(shè)置以達到最好的采集效果。同時右邊可以進行測試，并且對目前攝像頭拍攝圖像的信息進行顯示。如圖湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第36頁3-29，該攝像頭目前采集的是采集分辨率為480P（640*480）、32位的RGB圖像。(4)ConfigureImageLoggingSettings圖3-SEQ圖_3-\*ARABIC30ConfigureImageLoggingSettings功能：配置圖像的儲存路徑。當開啟允許圖像儲存之后就可以設(shè)置圖像的儲存路徑了，同時這個設(shè)置還可以給圖像添加前綴，確定圖像儲存的格式以及圖像質(zhì)量，我們可以設(shè)置合適的圖像質(zhì)量以便于批量處理，圖像的默認命名為Image+時間（具體到千分之一秒），例如：Image2015_05_11_171029.578.jpg.(5)SelectControls/Indicators圖3-SEQ圖_3-\*ARABIC31SelectControls/Indicators功能：選擇控制器以及指示器。其中配置的左邊都為圖像模塊的控制器，右邊為指湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第37頁示器?？刂破骰径际禽斎朊睿热缦到y(tǒng)強制添加的停止按鈕，輸出路徑以及圖像前綴編寫，手動調(diào)節(jié)亮度對比度按鈕等，而在指示器中我們則可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)強制加載的圖像輸出控件，以及我們可以手動添加的采集圖像數(shù)量、幀數(shù)、儲存路徑顯示等。這樣，當我們按之前的設(shè)置對圖像采集的兩個控件進行編程之后，最后實驗的實際圖像儲存結(jié)果如3-32所示：圖3-SEQ圖_3-\*ARABIC32圖像實際儲存結(jié)果3.4小結(jié)這一章設(shè)計了電流實時監(jiān)測系統(tǒng)及圖像采集的軟件部分，包括Labview的使用，主界面的設(shè)計，電流曲線與圖像儲存顯示的編程過程，最后用圖像與電流實際儲存結(jié)果驗證了該系統(tǒng)的有效性。湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第38頁第4章利用監(jiān)測系統(tǒng)對電流變化與物料運動狀態(tài)關(guān)系進行探究完成系統(tǒng)的硬件搭建和軟件設(shè)計后，接下來就是利用這個系統(tǒng)對電流變化與物料運動狀態(tài)之間的關(guān)系進行一些探究。這也是這個監(jiān)測系統(tǒng)被設(shè)計出來的目的之一。對于這個實驗而言，我們同時需要兩套數(shù)據(jù)，分別是電流的測量值以及在同一段時間內(nèi)回轉(zhuǎn)筒內(nèi)物料的運動狀態(tài)。其中，休止角是描述物料運動形態(tài)的關(guān)鍵性參數(shù)，是料床表面和水平面的夾角。在不同的運動狀態(tài)下，休止角會呈現(xiàn)出不同的變化特點。所以對于后者來說僅僅采用攝像頭采集的RGB圖像是不夠的，我們必須對圖像進行處理，進而提取每一幅圖像的休止角來作為物料運動狀態(tài)的指標。4.1圖像處理的基本原理圖像處理技術(shù)已經(jīng)廣泛用于各種各樣的監(jiān)測領(lǐng)域，下面簡單介紹一下這個實驗用到的簡單圖像處理方法。（1）閾值分割一般來說一幅圖像中包括目標區(qū)域、背景區(qū)域和噪聲區(qū)域，分割目標區(qū)域最常用的方法就是設(shè)定某一閾值，用將圖像的數(shù)據(jù)分成兩部分：大于的像素區(qū)域和小于的像素區(qū)域，例如，若輸入圖像為g(x,y)，輸出圖像為F(x,y)，則（4.1）這就是圖像二值化處理，它的目的就是利用一個閾值t將圖像g(x,y)分成目標和背景兩個領(lǐng)域。（2）中值濾波中值濾波器屬于統(tǒng)計濾波器[16]，采用非線性濾波技術(shù)。有些線性濾波器比如均值濾波、最小均方濾波，會給圖像的細節(jié)造成模糊，而中值濾波器可以克服這一缺點。中值濾波器可以非常有效地消除脈沖干擾（也稱為椒鹽噪聲），因為這一類噪聲是以黑白點湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第39頁的方式在圖像上疊加的，并且在實際應用中，中值濾波器不需要圖像的統(tǒng)計特征，這樣使用起來就很方便，因此中值濾波器被廣泛應用。4.2兩組試驗的結(jié)果分析在原理確定之后，我們選取2組實驗，分別為電機轉(zhuǎn)速n=1與n=2（r/min），填充率均為f=7%，當電機實現(xiàn)勻速轉(zhuǎn)動后，我們設(shè)定每組試驗時間均為3.5min。圖4-1為n=1r/min時的運行界面：圖4-SEQ圖_4-\*ARABIC1n=1r/min時的主界面可以看到，此時的電機轉(zhuǎn)速為1.017r/min，符合要求，界面的右側(cè)顯示了實時電流曲線。我們選取的時間為16:59:56-17:03:30，使用本設(shè)計中的實時電流監(jiān)測系統(tǒng)，我們可以得到實時的電流值，采樣的頻率為每秒4個電流值，均存放在指定位置的xls文件中，圖4-2為儲存的電流值：湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第40頁圖4-SEQ圖_4-\*ARABIC2n=1r/min時的電流值接下來是圖像的處理，我們使用MATLAB軟件的程序運用圖像處理中的閾值分割與中值濾波來簡單的提取每一幅圖片的休止角，將程序放在圖片所在的文件夾中運行程序。提取休止角的基本流程圖如下：湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第41頁圖4-SEQ圖_4-\*ARABIC3休止角提取流程圖我們使用MATLAB程序來處理圖片，具體的源代碼在附錄中，圖像休止角的提取一般分為以下幾個步驟：1.圖像有效區(qū)域的截取，我們一般選擇imcrop（I，[]）函數(shù)，需要根據(jù)需要給出640*480的圖像中需要提取的初始左上角像素的坐標和橫縱坐標的增量值，格式為[XMINYMINWEIGHTHEIGHT];2.對截取后的圖像進行灰度值轉(zhuǎn)換，需要用到的基本函數(shù)為rbg2gray（a）；3.對灰度轉(zhuǎn)換后的圖像進行中值濾波，需要用到的基本函數(shù)為medfilt2（a）；4.選取合適的閾值將灰度圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像，需要選擇合適的閾值，經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第42頁選擇閾值為75較為合適；5.將二值化后的圖像進行曲線擬合，所用到的基本函數(shù)為polyfit(x,y,n),并將得到的弧度制轉(zhuǎn)化為角度制。運行過程中的灰度值圖、中值濾波、二值化后的圖分別如4-4所示：圖4-SEQ圖_4-\*ARABIC4MATLAB圖像處理：灰度圖（右上），中值濾波之后結(jié)果（右下），二值化結(jié)果（左圖）MATLAB運行程序時的計算結(jié)果如圖4-5所示。湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第43頁圖4-SEQ圖_4-\*ARABIC5MATLAB處理圖像的運行情況在處理完圖像后，我們可以將所有的休止角數(shù)據(jù)與同時記錄的電流值數(shù)據(jù)合并在一起，在對齊二者時間軸的情況下，我們可以并且分別繪制二者的變化折線圖，并且可以觀察二者的變化趨勢，二者的折線圖變化如圖4-6所示湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第44頁圖4-SEQ圖_4-\*ARABIC6n=1時系統(tǒng)效果圖：休止角隨時間變化圖（上圖），電流曲線（下圖）當n=2r/min時，我們選擇實驗時間為17:10:29-17:14:03，保持除了變量之外的其他要素不變，重新進行試驗，其上位機運行時的界面如圖4-7所示：圖4-SEQ圖_4-\*ARABIC7n=2r/min時的運行界面可以在圖中看出實時轉(zhuǎn)速為2.066r/min，符合要求。與第一個實驗類似，我們測量相同時間內(nèi)的電流數(shù)據(jù)并儲存，然后再從圖像中使用MATLAB程序提取休止角，最后將二者都繪制曲線，如圖4-8所示。湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第45頁圖4-SEQ圖_4-\*ARABIC8n=2時系統(tǒng)效果圖：休止角隨時間變化圖（上圖），電流曲線（下圖）4.3小結(jié)這一章介紹了如何使用設(shè)計的實時監(jiān)測系統(tǒng)對電流變化與物料運動狀態(tài)關(guān)系進行探究，按照以上的步驟完成后需要改進的就是處理方法以及規(guī)律的探究。因此，該電流實時監(jiān)控系統(tǒng)為有關(guān)方面的研究提供了一個有效的工具。湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第46頁結(jié)論對于水泥回轉(zhuǎn)窯來說，主電機電流是一個十分重要的參數(shù)。本文根據(jù)國內(nèi)外關(guān)于回轉(zhuǎn)窯驅(qū)動電流的研究現(xiàn)狀和研究成果，在實驗室內(nèi)使用回轉(zhuǎn)筒、驅(qū)動電機、直流電流傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、攝像頭以及計算機搭建一個模擬回轉(zhuǎn)窯的硬件平臺，并使用通過Labview設(shè)計出一套軟件，使得我們可以對AD端口傳入的數(shù)據(jù)進行處理轉(zhuǎn)化為電機的電流值進行顯示與儲存，并對回轉(zhuǎn)筒內(nèi)的圖像進行實時顯示與儲存。最后，本文還對電機不同負載下的電流數(shù)據(jù)與筒內(nèi)圖像進行了對比，這是該實時監(jiān)測系統(tǒng)的重要用途之一。本套實時監(jiān)測系統(tǒng)還有許多不足之處，比如電機上編碼器的脈沖信號容易受到電磁和電機干擾的影響，最終會導致脈沖的檢測結(jié)果出現(xiàn)細微的誤差，然后在軟件設(shè)計方面也可以增加新的模塊，比如對電流數(shù)據(jù)進行傅里葉變換等。當然，有關(guān)驅(qū)動電機電流與回轉(zhuǎn)筒內(nèi)物料的運動狀態(tài)之間的確切關(guān)系還需要更多的數(shù)據(jù)以及進一步的研究，這不在本文的討論范圍之內(nèi)。但是我真切地希望這套實時監(jiān)測系統(tǒng)可以幫助研究人員在這個領(lǐng)域進行更為有效的探索。湖南大學畢業(yè)設(shè)計(論文)第47頁致謝本次論文從選題到完成，每一步都是在導師劉小燕教授的悉心指導下完成的。這傾注了劉老師大量的心血，所以在論文完成之時，我最感謝的就是導師劉小燕教授。劉老師淵博的專業(yè)知識、嚴謹?shù)目蒲袘B(tài)度、平易近人的人格魅力對我影響深遠。在寫論文的過程中，有的時候會遇到問題，在劉老師的耐心指導下，問題都得以解決。所以在此，我想對劉老師說一聲：劉老師，謝謝您！此外，我還要特別感謝我的學長宋冬峰。因為他給予了我非常多有關(guān)Labview和MATLAB的指導與幫助，每當我遇到問題，他都會悉心解答，并且讓我學習了很多專業(yè)相關(guān)知識。感謝所有107實驗室里的學長學姐們對我的幫助。感謝我的室友對我的支持。感謝父母對我學習的支持。湖南大學畢