摘 要：啟動沖擊是造成帶載啟動機(jī)械設(shè)備損壞或縮短其使用壽命的主要原因，本文設(shè)計(jì)了機(jī)電液一體化的軟啟動系統(tǒng)。為驗(yàn)證軟啟動系統(tǒng)的啟動效果、評價設(shè)計(jì)的優(yōu)劣、并求得最優(yōu)化的啟動參數(shù)，利用基于LabVIEW開發(fā)平臺的虛擬儀器技術(shù)對軟啟動系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、實(shí)時顯示、數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)后處理。 關(guān)鍵字：軟啟動;虛擬儀器;數(shù)據(jù)采集 1 引言 　　啟動沖擊是造成帶載啟動機(jī)械設(shè)備損壞或縮短其使用壽命的主要原因。隨著現(xiàn)代化工業(yè)的快速發(fā)展，大型化、重型化成為重載機(jī)械設(shè)備的一個發(fā)展趨勢，啟動沖擊的破壞性影響越來越嚴(yán)重，對這類重載機(jī)械進(jìn)行軟啟動已經(jīng)勢在必行。 　　本文設(shè)計(jì)的機(jī)電液一體化的軟啟動系統(tǒng)，不僅能夠極為有效地減小啟動時傳動系統(tǒng)對工作機(jī)械的破壞性沖擊，消除啟動時產(chǎn)生的振蕩，延長其使用壽命，同時還能大大縮短電動機(jī)啟動電流的沖擊時間，減小對電動機(jī)的熱沖擊負(fù)荷及對電網(wǎng)的影響。 　　為驗(yàn)證機(jī)電液一體化的軟啟動系統(tǒng)的啟動效果、評價設(shè)計(jì)的優(yōu)劣、并求得最優(yōu)化的啟動參數(shù)，需要在工程現(xiàn)場進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法耗時耗力，而且容易受到外界的干擾，準(zhǔn)確性不高，而虛擬儀器技術(shù)能克服這些缺點(diǎn)。本研究試圖利用基于LabVIEW開發(fā)平臺的虛擬儀器技術(shù)對軟啟動系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時采集和存儲。 2 虛擬儀器及其開發(fā)環(huán)境 　　所謂的虛擬儀器（Virtual Instrument），就是在以計(jì)算機(jī)為核心所組成的硬件平臺上，利用其顯示功能虛擬儀器控制面板，測試分析功能由軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。這種新型的儀器充分利用了最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能，它的優(yōu)勢在于可由用戶定義自己的專用儀器系統(tǒng)，且功能靈活，很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛，尤其在科研、開發(fā)、測量、檢測、計(jì)量、測控等領(lǐng)域更是不可多得的好工具。[1] 　　虛擬儀器應(yīng)用程序的開發(fā)環(huán)境主要有兩種：一種是基于傳統(tǒng)的文本語言的軟件開發(fā)環(huán)境，常用的有Lab-Windows/CVI、VB、VC++等;一種是基于圖形化語言的軟件開發(fā)環(huán)境，常用的有LabVIEW和HP-VEE，但最早和最具影響力的是NI公司的LabVIEW開發(fā)環(huán)境。LabVIEW是一個完全開放式的虛擬儀器開發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用軟件，它使用圖形化程序設(shè)計(jì)語言G（Graphic），用框圖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的程序代碼。利用它組建儀器測試系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以大大簡化程序的設(shè)計(jì)，相比傳統(tǒng)的編程語言，效率提高很多。 　　LabVIEW編程語言中的基本編程單元是VI，VI包括三個部分：前面板（ Front Panel）、框圖程序（Block Diagram）和圖標(biāo)（ Icon）連接器（Connector）。前面板具有與傳統(tǒng)儀器相類似的界面，可以接受鼠標(biāo)和鍵盤指令，用于設(shè)置輸入和觀察輸出。每一個VI程序的前面板都對應(yīng)著一段框圖程序?？驁D程序用G語言編寫。LabVIEW中的VI具有模塊化結(jié)構(gòu)和層次化結(jié)構(gòu)，每一個VI可以單獨(dú)執(zhí)行，或者作為子VI（SubVI）被其他程序調(diào)用。圖標(biāo)連接器就是子VI被其它VI調(diào)用的接口。圖標(biāo)是SubVI在其它框圖程序中被調(diào)用的節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)形式，而連接器則表示該SubVI與調(diào)用它的VI之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的輸入輸出口，就像函數(shù)的參數(shù)。用戶必須指定連接器端口與前面板的控件和指示器一一對應(yīng)。該圖形編程的一個重要的特點(diǎn)是程序的執(zhí)行次序是數(shù)據(jù)流控制。 3 軟啟動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)采集硬件、硬件驅(qū)動程序和數(shù)據(jù)采集函數(shù)及應(yīng)用程序幾個部分組成，其基本任務(wù)就是物理信號的測量和存儲。本系統(tǒng)是對工業(yè)現(xiàn)場的軟啟動過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，主要選擇電網(wǎng)參數(shù)和負(fù)載參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。針對這樣的情況，我們采用RS485總線組成虛擬儀器系統(tǒng)，通過RS485與上位機(jī)通信。系統(tǒng)的硬件組成包括: 　?。?）電流、電壓、扭矩、功率、轉(zhuǎn)速傳感器。選用的傳感器是北京森社電子有限公司的工業(yè)級模塊。 　?。?）數(shù)據(jù)采集模塊。采用研華PCI1710L模塊，它是一款PCI總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡，包含最常用的測量和控制功能：12位A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出及計(jì)數(shù)器/定時器功能。 　?。?）工控機(jī)。由于工業(yè)現(xiàn)場的諸多干擾，因此選用研華610H型工控機(jī)。上位機(jī)的軟件部分是由LabVIEW應(yīng)用開發(fā)平臺、VISA（Virtual Instrumentation Software Architecture，可視化儀器軟件結(jié)構(gòu)）以及研華數(shù)據(jù)采集模塊的驅(qū)動程序組成。借助工控機(jī)這個操作平臺來提供實(shí)時高效的數(shù)據(jù)處理功能。VISA是計(jì)算機(jī)與儀器之間的軟件層連接，用以實(shí)現(xiàn)對儀器的控制。它具有通用的應(yīng)用程序接口（API），通過調(diào)用低層的驅(qū)動程序來控制儀器。 4 軟啟動實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn) 　　4.1 數(shù)據(jù)采集 　　由于在軟啟動的檢測系統(tǒng)中，有各種不同的信號需要采集，如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率、外加電流、電壓等。這些信號的采集要用一塊數(shù)據(jù)采集卡完成。在信號的導(dǎo)入過程中，外界會對信號造成不同的干擾，使采集的信號不穩(wěn)定。對于不同的信號就要運(yùn)用不同的信號調(diào)理方法，將干擾信號過濾掉，獲得有用的信號，使數(shù)據(jù)的分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠，提高控制精度。在數(shù)據(jù)采集的過程中，采樣頻率的設(shè)定是非常重要的，因?yàn)椴蓸犹?，就會產(chǎn)生波形失真。選取適當(dāng)?shù)牟蓸臃椒梢蕴岣吖ぷ餍?，充分發(fā)揮硬件的優(yōu)勢。選定采樣的分辨率和信號范圍， 就是控制采樣的精度。本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集板PCI1710L，具有16個模擬輸入通道，AD采樣分辨率12位，最大采樣頻率100KS/S，輸入電壓范圍±10V。其性能完全滿足系統(tǒng)的需要。充分利用LabVIEW中提供的工具和數(shù)據(jù)采集卡的硬件優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、迅速地采集。其框圖程序如圖1所示。 [align=center] 圖1 數(shù)據(jù)采集VI的框圖程序[/align] 　　4.2 數(shù)據(jù)實(shí)時顯示 　　利用Build Array函數(shù)對采集來的五組數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后和Waveform Chart連接，并在前面板的Chart圖形顯示中， 以Stack Plots顯示電流、電壓、扭矩、功率和轉(zhuǎn)速五條曲線。五條曲線以不同的顏色顯示，刷新模式為默認(rèn)的Scroll，并設(shè)置Show Digital Displays。前面板界面如圖2所示。 [align=center] 圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)時顯示窗口[/align] 　　4.3 數(shù)據(jù)存儲 　　在數(shù)據(jù)存儲中，利用低層函數(shù)和VI保存為文本文件。這樣在程序運(yùn)行過程中，文件一直處于打開狀態(tài)，避免了每次寫文件前后程序都要與計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)去交互操作去打開文件和關(guān)閉文件，這樣提高了程序執(zhí)行的效率，稱這種方式為磁盤流技術(shù)。在保存文件的字符串中加入制表位（Tab Constant）和行尾符號（End of Line Constant），這樣保存的文本文件既可用記事本打開，也便于用諸如Excel的電子表格程序打開，如圖3所示。保存成文本文件時，內(nèi)容包括對應(yīng)的時間信息和數(shù)據(jù)。 [align=center] 圖3 已存儲的數(shù)據(jù)記錄[/align] 　　4.4 數(shù)據(jù)后處理 　　最小二乘法擬合是來源于實(shí)際、又廣泛應(yīng)用于實(shí)際的兩種重要方法。隨著計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展及計(jì)算水平的不斷提高，它已在國民生產(chǎn)和科學(xué)研究等方面扮演著越來越重要的角色。這里選用正交函數(shù)作最小二乘擬合。根據(jù)節(jié)點(diǎn)x0，x1，…，xm及權(quán)函數(shù)ω（x）>0，造出帶權(quán)ω（x）正交的多項(xiàng)式｛Pn（x）｝。用遞推公式表示Pn（x）即 　　 　　這里Pk（x）是首項(xiàng)系數(shù)為1的k次多項(xiàng)式。根據(jù)Pk（x）的正交性，得 　　 　　利用以上兩公式逐步求Pk（x）的同時，相應(yīng)計(jì)算出系數(shù) 　　 　　 　　并逐步把 累加到F（x）中去，最后就得到所求的擬合曲線 　　 5 結(jié)論 　　在本文中，利用LabVIEW 軟件平臺和研華公司的硬件設(shè)備建構(gòu)了軟啟動實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。同運(yùn)用傳統(tǒng)儀器建構(gòu)系統(tǒng)的方法相比，采用虛擬儀器的方法效率要高得多，且性能好，控制靈活方便，從而間接降低了成本，創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。 參考文獻(xiàn) 　　[1]毛建東.基于LabVIEW的單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J],微計(jì)算機(jī)信息, 2006,11:41- 42.