□湯小嬌 魏 麗 高崇一

一、引言

機械工程測試技術(shù)是機械工程相關(guān)專業(yè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，旨在培養(yǎng)學(xué)生實現(xiàn)機械工程中常見物理量測試任務(wù)的能力。測試技術(shù)是一門綜合性技術(shù)，涉及力學(xué)、電學(xué)、機械設(shè)計、傳感技術(shù)、計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)等多學(xué)科知識。同時，測試技術(shù)也屬于實驗科學(xué)的分支，必須要借助一定的實驗教學(xué)，將理論與實踐相結(jié)合，才能學(xué)好這門課程，并獲得一定的科學(xué)實驗技能[1]。

該課程傳統(tǒng)教學(xué)實驗數(shù)量少、儀器功能固化，需要專用的實驗設(shè)備和場地，由于大學(xué)擴招導(dǎo)致學(xué)生人數(shù)不斷增加，實驗設(shè)備卻隨著老化或損壞而逐漸減少，測試實驗設(shè)備的數(shù)量和性能已經(jīng)遠遠無法滿足實驗教學(xué)的要求。另外，由于這門課中信號的分析與處理，測試系統(tǒng)特性分析等內(nèi)容需要借助復(fù)雜的工程數(shù)學(xué)運算，學(xué)生理解、運用都感覺比較吃力，如果可以將這些內(nèi)容通過仿真實驗的方式讓學(xué)生們逐一驗證，并以圖形的形式顯示出來，學(xué)生們可以很直觀地看到整個過程和仿真結(jié)果，能夠更好地了解所學(xué)內(nèi)容。此外，傳統(tǒng)實驗受時間和空間的限制，無法做到隨時做實驗，如果能夠?qū)⒎抡鎸嶒灧诺骄W(wǎng)絡(luò)上，學(xué)生可以隨時隨地做自己想做的實驗，可以實現(xiàn)個性化學(xué)習(xí)，這樣可以大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，達到事半功倍的效果。

虛擬儀器技術(shù)是測試儀器發(fā)展的一個重要方向，功能強大，成本低，效率高，可以通過軟件來實現(xiàn)傳統(tǒng)硬件系統(tǒng)才能實現(xiàn)的功能，并且可以實現(xiàn)程序的網(wǎng)絡(luò)化。因此利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)一套機械工程測試技術(shù)虛擬仿真實驗系統(tǒng)是一個不錯的選擇[2]。

二、虛擬仿真實驗系統(tǒng)的開發(fā)平臺簡介

該虛擬實驗系統(tǒng)要能夠?qū)崿F(xiàn)課程的所有重要性質(zhì)的仿真，包括信號的相關(guān)分析、信號的頻譜分析、測試系統(tǒng)特性分析、系統(tǒng)的時間響應(yīng)分析、數(shù)字濾波器等，該仿真系統(tǒng)要可以實現(xiàn)遠程訪問，并具有操作簡單、界面美觀、交互性強的特點。美國NI公司的LabVIEW是在測試技術(shù)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的虛擬儀器開發(fā)平臺，利用LabVIEW開發(fā)的虛擬儀器無論是操作界面還是功能可以媲美真實的測試儀器，因此，該系統(tǒng)是以LabVIEW 2017為開發(fā)平臺，并結(jié)合美國MathWorks公司的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件MATLAB 2017開發(fā)的。

LabVIEW是一種圖形化的虛擬儀器編程語言，廣泛地應(yīng)用于測量或控制系統(tǒng)的開發(fā)，LabVIEW包含了多種多樣的數(shù)學(xué)運算函數(shù)，特別適合進行模擬、仿真設(shè)計，同時可以方便地調(diào)用其它語言或軟件。此外，LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面，界面外觀漂亮，操作簡單，因此，以LabVIEW為虛擬實驗開發(fā)平臺是最佳選擇。

MATLAB在數(shù)值計算方面首屈一指，可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題十分簡捷，已成為一個應(yīng)用廣泛的強大的數(shù)學(xué)軟件。雖然LabVIEW也具有強大的數(shù)學(xué)分析與計算能力，但與MATLAB相比仍然略遜一籌，因而仿真系統(tǒng)的開發(fā)利用LABVIEW的圖形友好的優(yōu)點，將LABVIEW作為系統(tǒng)開發(fā)的平臺，需要運算時再調(diào)用MATLAB強大的運算功能[3]。

三、仿真實驗系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

仿真實驗系統(tǒng)由四個模塊構(gòu)成，分別為時域響應(yīng)實驗、頻域分析實驗、延時域分析實驗和信號處理實驗，每個模塊下又有若干個仿真子程序，整個仿真實驗系統(tǒng)共有25個仿真子程序，如圖1所示。

圖1 仿真實驗系統(tǒng)基本組成

四、仿真實驗系統(tǒng)功能介紹

(一)時域響應(yīng)實驗。

時域分析是機械工程測試技術(shù)的一個重要內(nèi)容，通過時域分析可以了解不同的測試系統(tǒng)在相同輸入信號作用下的時間響應(yīng)以及同一測試系統(tǒng)在不同輸入下的時間響應(yīng)，從而可以深入了解測試系統(tǒng)、輸入、輸出三者之間的關(guān)系。時域分析仿真實驗包含一階系統(tǒng)、二階系統(tǒng)以及任意高階系統(tǒng)的時域分析三個子程序，為方便實驗者迅速了解實驗方法，前面版上有簡要的操作說明。輸入系統(tǒng)傳遞函數(shù)，選擇輸入信號類型以及顯示模式，便可在顯示時間響應(yīng)仿真曲線，并計算出系統(tǒng)的時間響應(yīng)性能指標(biāo)。輸入信號有階躍、速度、脈沖三種可調(diào)，調(diào)整顯示模式可以獲得多條曲線對比圖，可以直觀地發(fā)現(xiàn)參數(shù)變化對時間響應(yīng)性能的影響，時域響應(yīng)分析界面如圖2所示。

圖2 時域響應(yīng)實驗界面

(二)頻域分析實驗。頻域分析實驗是實現(xiàn)測試系統(tǒng)動態(tài)特性的一種圖示法，包括系統(tǒng)伯德圖和乃奎斯特圖。這部分內(nèi)容比較抽象、難度較大，通過頻域分析仿真實驗，學(xué)生可以在實驗中驗證常見系統(tǒng)的伯德圖和乃奎斯特圖，并觀察頻域性能指標(biāo)的計算，包括零頻值、帶寬、諧振幅值和諧振頻率，如圖3所示。

圖3 頻域分析實驗前面板圖

(三)延時域分析。延時域分析實驗包括自相關(guān)分析和互相關(guān)分析兩個實驗，其中自相關(guān)分析實驗?zāi)康氖球炞C不同的信號具有不同的自相關(guān)函數(shù)的性質(zhì)，包括周期信號、周期信號疊加隨機信號、窄帶隨機信號和寬帶隨機信號這四種信號的自相關(guān)分析仿真實驗，程序框圖如圖4所示。互相關(guān)分析實驗的目的驗證互相關(guān)函數(shù)的同頻相關(guān)、不同頻不相關(guān)主兩個主要性質(zhì)，仿真實驗中由信號發(fā)生器在兩個通道中產(chǎn)生兩個正弦信號，并對兩路信號進行互相關(guān)分析，實驗者先將兩個通道中的正弦信號設(shè)置成相同頻率的信號，并觀察互相關(guān)函數(shù)圖形，修改其中一個通道的正弦信號的頻率，得到兩個不同頻的正弦信號，再觀察互相關(guān)函數(shù)圖形的變化，從而驗證“同頻相關(guān)，不同頻不相關(guān)”的性質(zhì)。

圖4 自相關(guān)函數(shù)分析實驗程序框圖

(四)信號分析實驗。信號分析實驗包含頻譜分析和信號濾波兩個子程序。頻譜分析包括信號FFT變換和功率譜分析，信號的FFT變換仿真實驗可以實現(xiàn)常見信號的頻譜分析，實驗中可以在信號發(fā)生器中選擇矩形方波信號、三角波信號、鋸齒波信號等信號對信號分別信息頻譜分析，得到幅頻譜和相頻譜，觀察不同信號頻譜的區(qū)別，也可以改變信號的初始相位，觀察頻譜的變化。信號濾波子程序可以實現(xiàn)信號的數(shù)字濾波，包括低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器四種，信號源來自白噪聲信號疊加一個正弦信號，將信號分別通過四種不同的濾波器。觀察輸出的信號時域波形的變化，并對信號進一步進行頻譜分析，觀察信號頻域組成的變化，從而了解濾波器的作用。

(五)仿真程序網(wǎng)絡(luò)化。用LABVIEW自帶的網(wǎng)頁發(fā)布工具對VI實現(xiàn)網(wǎng)頁化，并在局域網(wǎng)內(nèi)可以實現(xiàn)訪問。利用本機作為服務(wù)器，實驗學(xué)生作為客戶端在瀏覽器上輸入鏈接就可以訪問到事先打開存儲在內(nèi)存中的VI，并在自己的計算機完成仿真實驗。

五、結(jié)語

機械工程測試技術(shù)虛擬仿真實驗系統(tǒng)以LabVIEW為開發(fā)平臺，以MATLAB為數(shù)據(jù)處理的工具，實現(xiàn)了機械工程測試技術(shù)課程的主要知識點的虛擬仿真，仿真實驗開發(fā)不需要添加任何硬件設(shè)備，大大節(jié)約了實驗投入成本，同時又彌補了傳統(tǒng)實驗儀器功能單一固化、實驗數(shù)量少等問題的不足。通過基于網(wǎng)絡(luò)的仿真實驗，可以將抽象的知識形象生動地通過仿真實驗展現(xiàn)出來，可以隨時隨地利用業(yè)余時間進行仿真實驗，將課程學(xué)習(xí)從課堂引申到課外，提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，加強了對所學(xué)知識的理解，提高了教學(xué)質(zhì)量。