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1、中 国 矿 业 大 学（北 京）本 科 生 毕 业 设 计（论 文）中文题目：洗煤厂关键设备故障诊断系统设计 英文题目：Fault Diagnosis System for Key Equipments in Coal Washery 姓 名：李传生 学 号：0203050113 学 院：机电与信息工程学院 专 业：测控技术与仪器 班 级：02 级 1 班 指导教师：薛光辉 职 称：讲师 完成日期：2006 年 6 月 12 日 科研背景：横向科研课题“马脊梁洗煤厂振动筛及轴承故障诊断研究”中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）任务书中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）任务书 学院
2、机电与信息工程学院 专业 测控技术与仪器 班级 02 级 1 班 学号 0203050113 学生姓名 李传生 任务下达日期：2006 年 1 月 12 日 完成日期：2006 年 6 月 6 日 题目：洗煤厂关键设备故障诊断系统设计 专题题目：香蕉直线振动筛故障诊断系统软件设计 主要内容和要求：1、完成振动筛故障诊断系统的方案设计；2、完成该振动筛故障诊断系统软件的功能和模块分析；3、实现振动数据的记录、存储、显示和频谱分析模块设计；4、实现该振动筛故障诊断系统的软件编程，要求界面美观，操作简便。院长签字：指导教师签字：中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）指导教师评阅书 中国矿业大学（
3、北京）本科生毕业设计（论文）指导教师评阅书 学院 机电与信息工程学院 专业 测控技术与仪器 班级 02 级 1 班 学生姓名 李传生 题目：洗煤厂关键设备故障诊断系统设计 专题题目：香蕉直线振动筛故障诊断系统软件设计 指导教师评语指导教师评语：论文符合毕业设计任务书和教学大纲的要求。该生在了解了振动筛整体结构及工作过程的基础上，参阅了大量的相关资料，完成了振动筛故障诊断系统的总体方案设计，重点开发了振动筛故障诊断系统软件系统，包括数据的记录、存储、显示和频谱分析功能，最后对所设计的软件进行了测试，结果表明实现了预期的功能。设计采用的技术路线正确、合理。论文书写条理清楚、分析详细、结构合理。该同
4、学基础扎实，具有较强的自学能力，较好的素质，较强的创新精神和创新能力，并且具备很好的专业技能和科研能力，能够从事本专业的工程技术工作和理论研究。同意以此论文安排毕业论文答辩。成绩：成绩：95 95 指导教师签名：指导教师签名：年 月 日 中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）评阅教师评阅书 中国矿业大学（北京）本科生毕业设计（论文）评阅教师评阅书 学院 机电与信息工程学院 专业 测控技术与仪器 班级 02 级 1 班 学生姓名 李传生 题目：洗煤厂关键设备故障诊断系统设计 专题题目：香蕉直线振动筛故障诊断系统软件设计 指导教师评语指导教师评语：该生在了解了振动筛整体结构及工作过程的基础上，
5、参阅了大量的相关资料，完成了特定型号振动筛的测绘和故障诊断系统的总体方案设计，重点开发了振动筛故障诊断系统软件系统，包括数据的记录、存储、显示和频谱分析功能，最后对所设计的软件进行了测试，结果表明实现了预期的功能。设计采用的技术路线正确、合理。论文书写条理清楚、分析详细、结构合理。该同学基础扎实，具有较强的自学能力，较好的素质，较强的创新精神和创新能力，并且具备很好的专业技能和科研能力，能够从事本专业的工程技术工作和理论研究。同意以此论文安排毕业论文答辩。成绩：95 成绩：95 评阅教师签名：评阅教师签名：年 月 日 中国矿业大学（北京）2002 级本科生 中国矿业大学（北京）2002 级本科
6、生 毕业设计（论文）答辩及综合成绩 毕业设计（论文）答辩及综合成绩 学院：学院：机电与信息工程学院 学生姓名学生姓名：李传生 学号学号：0203050113 专业专业：测控技术与仪器 班级班级：02 级 1 班 题目题目：洗煤厂关键设备故障诊断系统设计 专题题目专题题目：香香蕉直线振动筛故障诊断系统软件设计 说明书说明书 75 页页 图纸图纸 张张 其它材料其它材料 答答 辩辩 情情 况况 回回 答答 问问 题题 提提 出出 问问 题题 正确正确基 本基 本 正 确正 确有 一般 性错 误有 一般 性错 误 有 原则 性错 误有 原则 性错 误 回 答回 答 不 清不 清 1.简述时域分析与频
7、域分析的概念，为什么进行了时域分析还要进行频域分析,简述幅频特性与相频特性？软件系统数据回放模块回放的是什么信号，为什么要回放?2.论文中提到的“一次积分”、“二次积分”的物理意义。3.软件系统中提供了许多滤波器，主要使用那种，为什么?4.简述“香蕉直线振动筛”的含义。答辩成绩：96 答辩小组长：年 月 日 答辩成绩：96 答辩小组长：年 月 日 指导教师评价成绩：指导教师评价成绩：95 指导教师签字：指导教师签字：年年 月月 日日 评阅教师评价成绩：评阅教师评价成绩：95 评阅教师签字：评阅教师签字：年年 月月 日日 答辩委员会评语及建议成绩：答辩委员会评语及建议成绩：论文完成了洗煤厂关键设
8、备故障诊断系统的软件设计与开发，圆满完成了毕业设计规定的任务。设计（论文）条理清楚，论述充分，文字通顺，符合技术用语要求，水平较高。答辩时思路清晰，论点正确，回答问题有理论根据，基本概念清楚，对主要问题回答正确、深入。建议成绩：96。答辩委员会主任：答辩委员会主任：年年 月月 日日 学院领导小组综合评价成绩：学院领导小组综合评价成绩：学院领导小组负责人：学院领导小组负责人：年年 月月 日日 摘摘 要要 现代大型洗煤厂多为流水线作业，某一关键设备，如振动筛，出现故障将直接导致整个生产线陷入瘫痪，给洗煤厂造成巨大的经济损失。但目前对洗煤厂关键设备的状态监测和故障诊断研究还很少开展。因此，开展洗煤厂
9、关键设备的故障诊断研究符合生产现场的急需，具有重要的理论意义和应用价值。开发一个振动筛实验系统，是开展香蕉直线振动筛的状态监测和故障诊断研究的前提和基础。该系统包括实验模型和检测系统两部分。其中，检测系统又包括硬件系统和软件系统两部分。本文利用虚拟仪器的开发平台LabVIEW开发了该实验系统的软件系统，主要包括五个模块：数据采集、显示记录、数据回放、数据处理和数据分析。数据处理模块主要实现数字滤波和加窗处理两大功能，可以选择不同的滤波器和窗函数以适应不同的情况。数据分析模块能够实现信号的时域分析、FFT 分析、功率谱分析等。测试结果表明，该软件系统操作方便、可行。该系统是一个开放性的系统，能够
10、方便的添加分析功能，便于二次开发。关键词：香蕉直线振动筛；状态监测；故障诊断；虚拟仪器；LabVIEW ABSTRACT The production of most modern large scale coal washeries is streamlined coordination production,so failure of any key equipment,such as vibrating screen,in production line would lead directly to the production line paralysis,which would re
11、sult in huge economic losses to the coal washery.However,the study on condition monitoring and fault diagnosis of the key equipment in coal washery rarely carried out yet.Therefore,it is important theoretical and practical value,and met the need of production site,to study fault diagnosis of the key
12、 equipments in coal washery.It is the premise and the basis to design an experimental system of vibrating screens for studying the fault diagnosis and status monitoring of vibrating screen The experimental system is divided into two parts:the experimental model and the testing system.The testing sys
13、tem includes hardware system and software system.In this paper，the software system of experimental system was developed in LabVIEW，which primarily included five modules,namely data acquisition module，display and record module，data replay module，data processing module and data analysis module.The aut
14、hor also discussed the digital filter and signal windows,and designed the related programme.The data analysis modules can accomplish signal processing of time domain analysis，FFT analysis and auto-power spectrum analysis.The testing results indicate that the software system works well,and operates e
15、asily.Keywords：banana-shaped linear vibrate screen；fault diagnosis；status monitoring；virtual instrument；LabVIEW 目目 录录 一般设计部分一般设计部分 1 绪论绪论.1 1.1 课题概述.1 1.2 香蕉直线振动筛概述.3 1.2.1 香蕉直线振动筛的结构及其工作原理.3 1.2.2 香蕉直线振动筛常见故障及相关研究状况.5 1.3 课题研究的内容和意义.5 1.3.1 课题研究的内容.6 1.3.2 研究意义.6 1.4 毕业设计所作主要工作.6 专题设计部分专题设计部分 2 虚拟仪
16、器技术虚拟仪器技术.8 2.1 虚拟仪器技术概述.8 2.1.1 虚拟仪器的概念.8 2.1.2 虚拟仪器的工作原理.9 2.1.3 虚拟仪器系统的组成.10 2.2 图形化编程语言 LabVIEW 概述.11 2.2.1LabVIEW 的基本概念.12 2.2.2LabVIEW 程序设计中的结构.14 2.2.3LabVIEW 的运算形式.14 2.2.4LabVIEW 的开放性.15 3 香蕉直线振动筛故障诊断中的信号处理理论香蕉直线振动筛故障诊断中的信号处理理论.17 3.1 数字信号处理技术概述.17 3.2 香蕉直线振动筛故障诊断中的信号处理理论.17 3.2.1 信号的统计特征参量
17、.17 3.2.2 信号的数字化.19 3.2.3 离散时间信号分析.22 3.2.4 截断与加窗.29 3.2.5 数字滤波器.31 4 香蕉直线振动筛故障诊断系统总体方案香蕉直线振动筛故障诊断系统总体方案.34 4.1 香蕉直线振动筛故障检测原理综述.34 4.2 振动筛实验系统的设计.35 4.2.1 振动筛实验系统检测对象的设计.35 4.2.2 振动试验系统检测系统的设计.36 5 振动筛实验系统软件设计振动筛实验系统软件设计.38 5.1 软件系统的总体结构.38 5.2 各软件模块的设计与实现.40 5.2.1 数据采集模块的设计.40 5.2.2 显示记录模块的设计.46 5.
18、2.3 数据回放模块的设计.49 5.2.4 数据处理模块的设计.50 5.2.5 数据分析模块设计.52 5.3 软件使用说明.60 5.3.1 操作说明.62 5.3.2 操作中应注意的问题.66 5.4 软件系统的测试.67 结结 论论.72 参考文献参考文献.73 致致 谢谢.75 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002-1-1 绪论 1.1 课题概述 地下或露天矿场开采出来的煤炭或矿石，在未处理之前常常是以各种大小不同的颗粒混在一起的形式存在，甚至混有许多水分、粘土或其他有用、无用的介质。为了合理使用和满足产品质量要求，筛分机械广泛应用于选矿厂、选煤厂、洗煤厂以及其他工
19、业部门。筛分机械是一种广泛用于将松散物料分为两种或多种粒度级别的设备。常用的筛分机械包括惯性振动筛（简称振动筛）、共振筛和固定筛。其中，振动筛因其处理能力大，筛分效率高得到了更为广泛应用。洗煤厂作为煤炭产品加工的主要场所，承担原煤的筛分，洗选，分级，分类存放等工作，筛分工作是其生产过程中的第一道工序。振动筛使用情况的好坏对洗煤厂的生产至关重要，作为关键设备一旦出现故障，将可能导致整个生产线的瘫痪，造成巨大的经济损失。因此，振动筛早期故障检测、预警及诊断是事关洗煤厂经济效益的一个重要问题。本课题主要针对山西大同马脊梁洗煤厂的生产设备香蕉直线振动筛来展开。马脊梁洗煤厂是中煤进出口总公司与大同煤矿集
20、团公司共同组建的大同中煤出口基地建设有限公司下属洗煤厂，年洗煤量达 360 万吨，采用流水线作业。其主要洗选设备约 30 台（套），全部从国外引进。2004 年，洗煤厂关键设备 Honert 公司生产的 BRU-1-420/610 型香蕉振动筛大梁出现断裂，振动筛侧帮固定大梁螺栓处出现裂纹，致使振动筛无法正常工作，导致整个洗煤厂的生产都陷于瘫痪。由于振动筛为国外进口，因此出现问题后，更换新的大梁需要从国外订货。而订货周期长，这严重影响了洗煤中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 厂的日常生产，造成巨大的经济损失。如果能够在香蕉振动筛大梁断裂前检测到出现的裂纹，那么就可以变事后维修
21、为状态维修，采取有效的措施减轻大梁的进一步破坏并在大梁断裂前进行订货，这样在大梁完全破坏前做出预警，就可以减少因振动筛破坏以及更换造成的停产时间，降低经济损失。（a）正面（b）侧面 图 1.1 正常工作的振动筛 图 1.2 大梁上的裂纹-2-中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002（b）大梁工字钢中部的修补情（a）在大梁上下沿加补钢板 图 1.2 修补过的振动筛 图 1.4 止裂孔图 1.5 修补过的侧帮 图 1.1 是正常工作的香蕉振动筛。图 1.2 所示是损坏的振动筛。它的工字钢大梁已经断裂，洗煤厂通过钢板将断裂的大梁重新加固勉强维持生产。图 1.3(a)大梁上下沿加补钢板对断
22、裂的大梁进行加固的情况，图 1.3(b)梁工字钢中部的修补情况。图 1.4 和图 1.5 是振动筛的侧帮出现裂纹后洗煤厂的两种加固措施。图 1.4 是通过在侧帮上打止裂孔来阻止裂纹的继续扩展。图1.5 是通过加补钢板来固定已经出现裂纹的侧帮。1.2 香蕉直线振动筛概述 1.2.1 香蕉直线振动筛的结构及其工作原理香蕉直线振动筛的结构及其工作原理-3-中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 1)香蕉直线振动筛的结构 如图 1.6 所示，香蕉直线振动筛主要由筛箱、激振器和隔振装置（图中未画出）组成。(1)筛箱 筛箱是一个组合框架，主要由侧板、横梁、激振器安装梁、筛网托架、筛板、大梁及
23、后挡板组成，侧板与相应的梁之间依靠胡克螺栓连接。(2)激振器 采用块偏心的箱式激振器，主要由两根回转轴组成，每根回转轴上安 图1.6香蕉直线振动筛装有两个偏心块并被安装在箱体侧板的两边，两个激振器之间通过联轴器由一根横轴连接，激振器通过地脚螺栓连接在激振器安装梁上。(3)隔振装置 在振动筛的侧板上通过螺栓连接弹簧的安装座，弹簧被安装在安装座与地面上的支撑装置之间，有一定的预压缩。-4-中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002-5-2)香蕉直线振动筛的工作原理 香蕉直线振动筛是利用同步反向旋转的双不平衡块激振来实现筛箱振动的。由电动机带动皮带轮始一根轴上的偏心块回转，通过两个等齿数的
24、齿轮相互啮合，使另一根轴的不平衡块也回转，不平衡块转动时所产生的离心惯性力的分力在某一方向上总是相互叠加，形成了单一方向的合力，这个力就是激振力，这个方向就是筛箱的振动方向，在与振动方向垂直的方向，离心力的分离总是相互抵消的。激振器与筛面成 45倾角，故筛面上的物料的抛射角为 45。物料在抛起时被松散，在与筛面撞击时水和小于筛孔的颗粒透筛，从而实现脱水、脱泥、脱介和分级。11.2.2 香蕉直线振动筛常见故障及相关研究状况香蕉直线振动筛常见故障及相关研究状况 1)振动筛常见故障(1)筛体部分 侧帮钢板产生裂纹；筛板发生破坏性断裂；筛板下大梁断裂；弹簧断裂；振动噪声大。(2)激振器部分 传动齿轮损
25、坏；轴承润滑不良及损坏。(3)激振电机部分 电机支撑钢板断裂；地脚螺栓断裂。2)相关研究状况简介 根据目前所查阅的资料，洗煤厂设备特别是振动筛大梁和侧帮裂纹的早期检测和诊断的研究目前在国内还开展得很少，还没有形成较为成熟的手段！1.3 课题研究的内容和意义 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002-6-1.3.1 课题研究的内容课题研究的内容 课题研究的内容主要包括：1)总体设计：与课题组成员共同完成香蕉直线振动筛故障诊断系统的总体方案的设计。2)软件设计：利用 LabVIEW 的图形化编程环境和数据采集卡构建数据采集和分析处理系统。研究的重点包括：(1)利用 LabVIEW 提供
26、的函数实现数据的采集、显示、记录、回放以及分析处理，为故障的监测和诊断提供依据。(2)力求界面美观，操作简便，能够方便的进行二次开发。1.3.2 研究意义研究意义 由于香蕉直线振动筛大梁的故障检测及诊断，目前在国内还没有形成较为成熟的手段，该课题的研究具有重要的意义：1)研究成果符合生产现场的急需。2)对其他洗煤厂同类设备的故障检测和诊断极具推广价值。3)对于其他洗选设备的故障检测和诊断及预警也具有广泛的借鉴意义。1.4 毕业设计所做主要工作 毕业设计是对大学期间所学知识的全面总结和综合应用，是一个培养分析问题和解决问题能力的过程，也为今后走向社会的实际应用铸就了一个良好的开端。毕业设计期间，
27、我主要做了以下几方面的工作：1)学习图形化编程语言LabVIEW 的使用，掌握了其基本操作。2)查阅了与振动筛相关的资料，对其结构、工作原理及其重要的作用有了一定的了解。中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002-7-3)两次到马脊梁洗煤厂实地考察，对洗煤厂的生产工艺有了大体地了解，并参加了香蕉直线振动筛实体的测绘工作。4)完成了振动筛实验系统软件部分的设计，包括振动信号的采集、显示、记录、回放及分析处理等。5)编写了软件使用说明书。6)完成了软件系统的调试。中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002-8-2 虚拟仪器技术虚拟仪器技术 2.1 虚拟仪器技术概述 始自 20
28、世纪 40 年代末的计算机革命给当代社会的发展注入了活力，计算机的迅速发展和普及带动了各行各业的进步，有力地促进了多年来发展缓慢的仪器技术的飞跃，给仪器仪表领域带来了深刻的变化。20 世纪 70年代初期将微处理器引入仪器设计中，出现了智能仪器。20 世纪 80 年代初在个人机上发展了仪器。20 世纪 80 年代后期将虚拟现实技术引入到仪器设计中，最终发展成为虚拟仪器。2.1.1 虚拟仪器的概念虚拟仪器的概念 虚拟仪器是基于计算机的仪器。简单地说，虚拟仪器就是在通用计算机上加上软件和(或)硬件，使得使用者在操作这台计算机时就像是在操作他自己设计的专用的电子仪器。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解
29、决信号的输入输出，软件才是整个仪器系统得关键，任何一个用户都可以通过改写软件的办法方便地改变和增减仪器系统的功能，即“软件就是仪器”。虚拟仪器技术的出现，打破了传统仪器由厂家定义功能，用户无法改变的固定模式，虚拟仪器技术给用户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。用户可以随心所欲地根据自己的需求，设计自己的仪器系统，满足多种多样的用户需求。表 2.1 为传统仪器与虚拟仪器的比较一览表。虚拟仪器作为一种新型的仪器种类，具有以下特点：1)强调“软件即仪器”的概念，软件充当了仪器中相当重要的且以往由硬件充当的角色。2)打破了传统仪器小而全的现状，可以将信号的分析、显示、存储、打中国矿业大学（北京）级
30、本科生毕业设计（论文）2002-9-印和其它管理利用计算机来完成。3)便于工作和管理，虚拟仪器技术是仪器的设计和管理统一到虚拟仪器的标准，使得仪器管理规范，使用简便，维护费用低。4)仪器自定义，科研和工程人员自己设计自己的仪器。由于虚拟仪器的开放性，用户可以方便地修改测试方案，构成各种专用仪器。仪器的开发周期短，升级容易，节省了硬件开发和生产的费用。5)便于组成自动测试系统。虚拟仪器充分利用计算机技术，可以对测试方案进行编程；而且数据的远程传输、数据在软件之间的交换等，都使系统组建变得灵活；计算机的存储、打印和网络化等功能也进一步增进了虚拟仪器的功能2。表 2.1 传统仪器与虚拟仪器的比较 传
31、统仪器传统仪器 虚拟仪器虚拟仪器 仪器厂商定义 用户自己定义 硬件是关键 软件是关键 仪器的功能、规模均已固定 系统功能和规模可通过软件修改和增减 封闭的系统，与其它设备连接受限制 基于计算机的开放系统，可方便地同外设、网络及其它相应设备连接 价格昂贵 价格低，可重复利用 技术更新慢 技术更新快 开发和维护费用高 软件结构可大大节省开发和维护费用 多为实验室拥有 个人可拥有一个实验室 2.1.2 虚拟仪器的工作原理虚拟仪器的工作原理 与传统仪器一样，虚拟仪器同样划分为数据采集与控制、数据分析与中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 处理、结果表达三大功能模块，如图 2.1 所示。
32、虚拟仪器以透明的方式把计算机资源和仪器硬件的测试能力结合起来，实现了仪器功能的运作。虚拟仪器用各种图标或控件来虚拟传统仪器面板上的各种器件。由各种开关图标实现仪器电源的通断；由各种按钮图标来设置被测信号的“放大倍数”、“通道”等参数；由各种显示控件以数值或波形的方式显示测量或分析结果；由计算机的鼠标和键盘操作来模拟传统仪器面板上的实际操作；以对图形化软件流程图的编程来实现各种信号测量和数据分析功能。PC-DAQ 采集卡PXI 仪器 VXI 仪器 GPIB 仪器 串口仪器 信号处理-10-2.1.3 虚拟仪器系统的组成虚拟仪器系统的组成 虚拟仪器由硬件平台和应用软件两部分组成。下面从硬件、软件、
33、两个方面来具体说明虚拟和仪器的组成。1)硬件平台 虚拟仪器的硬件平台由计算机和 I/O 口设备组成，如图 2.2 所示。计算机是硬件平台的核心，一般是工作站，亦可用普通的 PC 机。I/O 接口设备负责被测信号的采集、调理、模数转换等。常用的 I/O 接口设备有以下五种：(1)PC-DAQ 接口：PC-DAQ 接口采用计算机本身的 PCI 总线或 ISA 总线，将数据采集卡插入计算机主板上的空槽中即可。数字滤波 统计 分析 网络传输 磁盘复制 文件 I/O 图形用户接口 图 2.1 虚拟仪器的功能模块 PC-DAQ 采集卡PXI 仪器 VXI 仪器 GPIB 仪器 串口仪器 中国矿业大学（北京
34、）级本科生毕业设计（论文）2002 工作站或PC 机GPIB 接口 串行接口 PC-DAQ 接口 被测信号 PXI 接口 图2.2虚拟仪器的构成VXI 接口(2)GPIB 接口：GPIB 接口采用 GPIB 标准总线连接仪器与计算机。(3)串行接口：串行接口采用 Serial 标准总线连接仪器与计算机。(4)VXI 接口：VXI 接口采用 VXI 标准总线连接仪器与计算机。(5)PXI 接口：PXI 接口采用 PXI 标准总线连接仪器与计算机。2)软件平台 虚拟仪器软件将可选硬件(如 DAQ、GPIB、RS-232、VXI、PXI)可重复使用源码库函数等软件结合起来，实现模块间的通信、定时与触
35、发，源码库函数为用户构造自己的虚拟仪器系统提供了基本的软件模块。当用户的测试要求变化时，可以方便地由用户自己来增减软件模块，或重新配置现有系统以满足现有系统的测试要求。虚拟仪器软件包括应用程序和 I/O 接口设备驱动程序。应用程序由实现虚拟仪器前面板功能的软件程序和定义测试功能流程图的软件程序两部分组成。I/O 接口设备驱动程序实现对特定外部硬件设备的控制。2.2 图形化编程语言 LabVIEW 概述 LabVIEW 是美国国家仪器公司的创新产品，被誉为“科学家与工程师”-11-中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 的语言。为不熟悉文本语言编程的设计者在测控领域建立计算机仪器系
36、统提供了便捷、轻松的图形化设计开发集成环境。虚拟仪器是 LabVIEW 的精髓，正是因为 LabVIEW 的成功，才使虚拟仪器的概念为学术界和工程界广泛接受。目前，以 LabVIEW 为核心，包括仿真控制、高级数字信号处理、模糊控制和 PID 控制等众多附加软件包运行于 Windows 系列、Linux、Macintosh、Sun 和 Unix 等多种平台的工业标准软件环境。2.2.1LabVIEW 的基本概念的基本概念 LabVIEW 使用了一种称为 G 的数据流编程模式，它有别于基于文本语言的线性结构。在 LabVIEW 中执行程序的顺序是由块之间的数据流决定的，而不是传统文本语言的按命令
37、行次序连续执行的方式。LabVIEW 程序称为虚拟仪器(Virtual Instrument)程序，简称 VI。VI 包括 3 个部分：前面板、框图程序和图标/连接器。前面板用于设置输入量和观察输出量，它模拟真实仪器的前面板。其中，输入量称为 Controls（控件），用户可以通过控件向 VI 中设置输入参数等；输出量被称为 Indicators(指示器)，VI 通过指示器向用户提示状态或输出数据等。用户还可以使用多种图标，如旋钮、开关、按钮、图表等使前面板易看易懂。如图 2.3 所示是一个温度计虚拟程序的前面板。图 2.3 温度计前面板 -12-中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2
38、002 每一个程序的前面板都有相应的框图程序与之对应。框图程序用图形编程语言编写，它相当于传统程序的源代码。框图程序中的部件可看成程序节点，如循环控制、事件控制和算术功能等。这些部件之间用连线连接一定以框图程序内数据的流向。上述温度计的框图程序如图 2.4 所示。图 2.4 温度计框图程序 图标/连接器部件可以让用户把VI程序变成一个对象，然后在其他程序中像子程序一样调用它。图标表示在其他程序中被调用的子程序，而连接器则表示图标的输入输出接口3。作为一种图形化的编程语言，LabVIEW的特点可归纳为以下几个方面：1)图形编程方式：使用直观形象的数据流程图式的语言书写程序源代码。2)提供程序调试
39、功能，如设置断点或探针，单步执行，语法检查等。3)拥有数据采集、仪器控制、分析、网络、ActiveX 等集成库。4)继承传统编程语言结构化和模块化的优点，这对于建立复杂应用和代码的可重用性来说是至关重要的。5)提供 DLL 库接口、CIN 节点以及大量的仪器驱动器、网络通信 VIs与其它应用程序或外部设备进行连接。6)采用编译方式运行 32 位应用程序。-13-中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002-14-7)支持多种系统平台，如 Macintosh、HP-UX、SUN SPARC 和 Windows 3.x/95/NT 等，LabVIEW 应用程序能在上述各平台之间跨平台进行移
40、植。8)提供大量的函数库及附加工具。如数学函数、字串处理函数、数组运算函数、文件 I/O、高级数字信号处理函数、数据分析函数、仪器驱动和通信函数等。2.2.2LabVIEW 程序设计中的结构程序设计中的结构 1)层次化结构 LabVIEW 是模块化程序设计语言，用户可以把一个 VI 程序创建成自己的一个图标/连接器(即 VI 子程序)，然后被其它 VI 程序所调用。用这种方法可设计出一个有层次关系的 VIs 或子 VIs，而且调用的阶数是无限制的。2)并行工作 LabVIEW是一个多任务的软件系统，当创建具有同步工作的程序块时，就可交互地运行并行 VIs 程序。3)常规语法结构 LabVIEW
41、 中常用的语法结构主要有：While Loop 结构、For Loop 结构、Case 结构以及 Sequence 结构等。4)基于文本的公式结点(Formula Node)公式结点是一种用于书写数学公式的文本编辑框。2.2.3LabVIEW 的运算形式的运算形式 1)模块化图标运算 LabVIEW 中的图标/连接器表示一定的函数功能，将若干个图标/连接口组合起来就可进行有关运算，如算术、布尔逻辑、比较和数组运算、数中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002-15-值运算(三角函数、对数等)、字符串运算和文件 I/O 等。2)公式运算 使用公式结点进行公式运算。公式结点包含一个或多个
42、公式表达式，各公式之间用；隔开。公式表达式使用了一种类似于大多数基于文本编程语言(如 BASIC 语言)的算术表达式的语法。3)使用集成库的功能子模板完成运算 LabVIEW中集成了大量的生成图形界面的模板，丰富实用的数值分析、数字信号处理功能，以及多种硬件设备驱动器(包括 RS232、GPIB、VXI、DAQ 卡和网络等)。用户不需了解有关运算细节就能直接使用这些功能子模块，这对于编程工作来说，可节省了大量的时间开销。4)通过链接 DLL 形式的代码进行运算 LabVIEW 提供 DLL 库接口和 CIN 节点来使用户有能力在该平台上使用其它软件开发平台生成的模块。即用户可通过其它开发平台(
43、如 VC+)建立一个子例程，并生成动态链接库 DLL，然后与 LabVIEW 框图程序进行链接。LabVIEW 的这一开放性，为用户自行编写某些软件模块提供了方便。如用户可通过 C+/C 语言为某一新设备开发通信及驱动程序，或编写一个控制算法，然后链入 LabVIEW 程序。2.2.4LabVIEW 的开放性的开放性 LabVIEW 是开放型的开发环境，它拥有大量的与其它应用程序进行通信的 VI 库。因此，LabVIEW 可从众多的外部设备获取或传送数据，这些设备包括 GPIB、VXI、PXI、串行设备和插件式 DAQ 板等；LabVIEW 甚至可以通过 Internet 取得外部数据源。1)
44、DLLs 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002-16-在Windows或其它平台下调用内部或外部的DLL形式的代码或分享其它平台(包括 Windows)中的库资源；使用 CodeLink，同样可自动分享在LabWindows/CVI 中开发的 C 程序库。2)ActiveX、DDE、SQL 使用自动化 ActiveX、DDE 和 SQL，与其它 Windows 应用程序一起集成用户的应用程序。3)远程通信：Internet，TCP/IP 使用 TCP/IP 和 UDP 网络 VIs，与远程应用程序进行通信；在用户的应用程序中融入 e-mail、FTP 和浏览器等；通过远程自动控
45、制 VIs，可远程操作其它机器上的分散 VIs 的执行。中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002-17-3 香蕉直线振动筛故障诊断中的信号处理理论香蕉直线振动筛故障诊断中的信号处理理论 3.1 数字信号处理技术概述 信号处理是起源于 17 和 18 世纪数学的一个学科，目前在各个领域中已成为一种重要的现代化工具。信号处理的各种方法和应用既有悠久的历史，又像计算机和集成电路那样以崭新的面貌出现在科技和工程实践中。由于计算机技术的应用，现代工程信号处理主要是指数字信号处理技术。数字信号处理主要研究如何用数字或序列表示信号及如何处理这些序列，其目的可能是估计信号的特征参数，亦可能是将信号
46、转化成更为需要的形式。经典数值分析公式（如内插、微分、积分等数值方法）无疑就是数字信号处理的算法，而计算机的出现促进了现代信号处理的算法日益复杂巧妙，集成电路技术的突飞猛进又使得十分复杂的信号处理系统变得更为经济。数字信号处理技术在各个不同的领域（如声学、声纳、雷达、地震学、语音通信、数据通信、机械工程、电子工程、医疗工程等）都显示了其重要的作用。目前，数字信号处理技术正以惊人的速度迅猛的发展。随着大规模集成电路的成本的下降、体积的缩小以及运算速度的提高，信号处理的应用日益广泛；信号处理的标准算法不断出现；各种高效经济的信号分析仪广泛应用；在普通微机上就能实现的功能强大的虚拟仪器更代表了信号处
47、理技术的一个发展方向。3.2 香蕉直线振动筛故障诊断中的信号处理理论 3.2.1 信号的统计特征参量信号的统计特征参量 中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 在时域中，常用的描述信号特征的统计参量主要包括：均值x、方差2x、标准差S、有效值（均方根值）、偏态指标和峭度指标等。rmsX3K4K1)均值x 信号的均值又称一次矩，它描述了信号的平均变化情况，代表信号的静态部分或直流分量。数学表达式为 TxT01limx(t)dtT=(3-1)其离散化计算公式为?N 1ii 01x(t)N=x(3-2)2)方差2x标准差S 方差用来描述信号相对于均值的波动情况，反映信号的动态分量，数学
48、表达式为 T22T01limx(t)dtTX=X(3-3)其离散化的计算公式为?21201()NNxiXix t=(3-4)方差的开方用标准差表示，即 T2T01limx(t)dtTXS=(3-5)其离散化计算公式为?2101()NNxiiSx t=(3-6)-18-中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 3)有效值（均方根值）rmsX这是一个应用广泛的统计参量，对振动速度而言，其有效值与振动能量相对应，数学表达式为 21lim()TrmsToXT=x t dt(3-7)其离散化计算公式为?1201()NrmsiiXN=x t(3-8)4)偏态指标和峭度指标 3K4K偏态指标和峭
49、度指标常用来检验信号偏离正态分布的程度，它们的数学表达式如下：3K4K333()()xxp x dxKS+=(3-9)其离散化计算公式为?3130()16Nxiix tKNS=(3-10)444()()xxp x dxKS+=(3-11)其离散化计算公式为?1440()()24Nxiix tNKS=3=(3-12)3.2.2 信号的数字化信号的数字化 工程上测得的信号大多是模拟信号，为了利用计算机得其进行处理，首先要对模拟信号进行数字化处理，即采样和量化。图 3.1 为信号数字化的-19-中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）2002 全过程。图 3.1 信号数字化 低通滤波器 采样器计
50、算机 x(t)A/D 1)采样与采样定理(1)采样 所谓采样就是利用采样脉冲()s t从连续信号()x t中抽取一系列离散样本值获取采样信号的过程。在数学上，它实质上是连续信号()stx()x t与采样脉冲()s t相乘的结果，即：()()()sx tx ts t=(3-13)图 3.2 描述了采样间隔为 1 秒时时域采样的过程。图 3.2 时域采样(2)采样定理 一个在频谱区间(,mm)以外为 0 的频带有限信号（简称带限信号）()x t可以唯一地由其均匀时间间隔sT)(1 2smTf上的取样值()sf nT确定，这就是时域采样定理。-20-中国矿业大学（北京）级本科生毕业设计（论文）200