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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： 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： 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： 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： 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： 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。

关键词： 汽车性能测试   虚拟测试   虚拟仪器  

摘要： 随着现代科技的不断发展,对于汽车性能的测试提出了虚拟仪器的测试方法,构建了虚拟仪器的汽车性能测试系统,在系统当中,主要是利用PC-DAQ方案来利用多传感器进行数据的采集和融合,在PC机平台和虚拟仪器软件的配合下,实现了汽车各种性能的数据采集控制,将多种数字化的汽车转化成为PC机为核心和硬件支持的数字化、柔性化、智能化的汽车性能虚拟集成测试系统。可以实现对汽车的排放性能、噪声、前大灯、制动性能以及悬架特性等多种性能进行测试。在本文当中,首先对虚拟仪器进行了概述;其次对汽车性能测试系统设计系统的总体设计做出了研究;最后在应用实例的基础上进行了详细的分析。

关键词： 自动检定   虚拟仪器技术   LabVIEW   倍频程滤波器   检定效率  

摘要： 针对目前倍频程和分数倍频程滤波器检定效率与准确率低的问题,设计了一套基于LabVIEW的滤波器自动检定系统。系统以计算机为控制核心,依托虚拟仪器技术,为需要程控的仪器提供标准的接口,将标准信号源以及被测件集成到单个系统。在符合检定规程的情况下,系统实现了仪器设备的自动控制、响应数据自动读取、数据分析处理、原始记录报告生成等功能。经过多次试验验证,系统运行平稳可靠,有效的提高了检定效率,消除日常检定的人为错误,提高了检定的准确率。

关键词： 虚拟仪器技术   单螺杆压缩机   开放探索式   实验教学   性能测试  

摘要： 为推进过程流体机械一流课程建设步伐,结合中国石油大学(华东)国家一流专业过程装备与控制工程对学生工程实践能力及自主探索能力培养的要求,完善了实验课程内容体系,设置了开放性、探索性和创新性实验项目。在现有实验平台基础上,基于虚拟仪器技术构建了可实施开放性、探索性实验的单螺杆压缩机工作性能测试实验平台。该实验平台既能够实现单螺杆压缩机关键性能参数及p-V图的测试,还支持学生自主设计实验参数,开展变工况性能研究及热力变形特性研究。该平台可为学生工程实践能力及自主探索能力培养提供一种新思路和切实可行的方案,具有较高的教学实用性。

关键词： 数字电子技术   虚拟仪器   LabVIEW   教学研究  

摘要： “数字电子技术”是计算机、电子类专业的重要核心专业课程,针对目前教学方法过于死板枯燥、理论与实验脱节的问题,提出利用LabVIEW虚拟仪器技术对课程内容进行设计,实现动态教学演示的教学方法。以编码器和触发器分别作为组合逻辑电路和时序逻辑电路的代表,在教学中演示不同输入参数下的结果呈现,增加课堂的互动性和趣味性,提高知识输出的有效性,在改善课程教学质量的同时构建实验和理论之间的桥梁,为后续实验奠定基础。