机械工程测试技术虚拟仿真实验系统开发

□汤小娇 魏 丽 高崇一

一、引言

机械工程测试技术是机械工程相关专业的一门重要的技术基础课，旨在培养学生实现机械工程中常见物理量测试任务的能力。测试技术是一门综合性技术，涉及力学、电学、机械设计、传感技术、计算机技术、信号处理技术等多学科知识。同时，测试技术也属于实验科学的分支，必须要借助一定的实验教学，将理论与实践相结合，才能学好这门课程，并获得一定的科学实验技能[1]。

该课程传统教学实验数量少、仪器功能固化，需要专用的实验设备和场地，由于大学扩招导致学生人数不断增加，实验设备却随着老化或损坏而逐渐减少，测试实验设备的数量和性能已经远远无法满足实验教学的要求。另外，由于这门课中信号的分析与处理，测试系统特性分析等内容需要借助复杂的工程数学运算，学生理解、运用都感觉比较吃力，如果可以将这些内容通过仿真实验的方式让学生们逐一验证，并以图形的形式显示出来，学生们可以很直观地看到整个过程和仿真结果，能够更好地了解所学内容。此外，传统实验受时间和空间的限制，无法做到随时做实验，如果能够将仿真实验放到网络上，学生可以随时随地做自己想做的实验，可以实现个性化学习，这样可以大大提高学生的学习兴趣，达到事半功倍的效果。

虚拟仪器技术是测试仪器发展的一个重要方向，功能强大，成本低，效率高，可以通过软件来实现传统硬件系统才能实现的功能，并且可以实现程序的网络化。因此利用虚拟仪器技术开发一套机械工程测试技术虚拟仿真实验系统是一个不错的选择[2]。

二、虚拟仿真实验系统的开发平台简介

该虚拟实验系统要能够实现课程的所有重要性质的仿真，包括信号的相关分析、信号的频谱分析、测试系统特性分析、系统的时间响应分析、数字滤波器等，该仿真系统要可以实现远程访问，并具有操作简单、界面美观、交互性强的特点。美国NI公司的LabVIEW是在测试技术领域广泛应用的虚拟仪器开发平台，利用LabVIEW开发的虚拟仪器无论是操作界面还是功能可以媲美真实的测试仪器，因此，该系统是以LabVIEW 2017为开发平台，并结合美国MathWorks公司的商业数学软件MATLAB 2017开发的。

LabVIEW是一种图形化的虚拟仪器编程语言，广泛地应用于测量或控制系统的开发，LabVIEW包含了多种多样的数学运算函数，特别适合进行模拟、仿真设计，同时可以方便地调用其它语言或软件。此外，LabVIEW提供很多外观与传统仪器类似的控件，可用来方便地创建用户界面，界面外观漂亮，操作简单，因此，以LabVIEW为虚拟实验开发平台是最佳选择。

MATLAB在数值计算方面首屈一指，可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等。MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题十分简捷，已成为一个应用广泛的强大的数学软件。虽然LabVIEW也具有强大的数学分析与计算能力，但与MATLAB相比仍然略逊一筹，因而仿真系统的开发利用LABVIEW的图形友好的优点，将LABVIEW作为系统开发的平台，需要运算时再调用MATLAB强大的运算功能[3]。

三、仿真实验系统基本结构

仿真实验系统由四个模块构成，分别为时域响应实验、频域分析实验、延时域分析实验和信号处理实验，每个模块下又有若干个仿真子程序，整个仿真实验系统共有25个仿真子程序，如图1所示。

图1 仿真实验系统基本组成

四、仿真实验系统功能介绍

(一)时域响应实验。

时域分析是机械工程测试技术的一个重要内容，通过时域分析可以了解不同的测试系统在相同输入信号作用下的时间响应以及同一测试系统在不同输入下的时间响应，从而可以深入了解测试系统、输入、输出三者之间的关系。时域分析仿真实验包含一阶系统、二阶系统以及任意高阶系统的时域分析三个子程序，为方便实验者迅速了解实验方法，前面版上有简要的操作说明。输入系统传递函数，选择输入信号类型以及显示模式，便可在显示时间响应仿真曲线，并计算出系统的时间响应性能指标。输入信号有阶跃、速度、脉冲三种可调，调整显示模式可以获得多条曲线对比图，可以直观地发现参数变化对时间响应性能的影响，时域响应分析界面如图2所示。

图2 时域响应实验界面

(二)频域分析实验。频域分析实验是实现测试系统动态特性的一种图示法，包括系统伯德图和乃奎斯特图。这部分内容比较抽象、难度较大，通过频域分析仿真实验，学生可以在实验中验证常见系统的伯德图和乃奎斯特图，并观察频域性能指标的计算，包括零频值、带宽、谐振幅值和谐振频率，如图3所示。

图3 频域分析实验前面板图

(三)延时域分析。延时域分析实验包括自相关分析和互相关分析两个实验，其中自相关分析实验目的是验证不同的信号具有不同的自相关函数的性质，包括周期信号、周期信号叠加随机信号、窄带随机信号和宽带随机信号这四种信号的自相关分析仿真实验，程序框图如图4所示。互相关分析实验的目的验证互相关函数的同频相关、不同频不相关主两个主要性质，仿真实验中由信号发生器在两个通道中产生两个正弦信号，并对两路信号进行互相关分析，实验者先将两个通道中的正弦信号设置成相同频率的信号，并观察互相关函数图形，修改其中一个通道的正弦信号的频率，得到两个不同频的正弦信号，再观察互相关函数图形的变化，从而验证“同频相关，不同频不相关”的性质。

图4 自相关函数分析实验程序框图

(四)信号分析实验。信号分析实验包含频谱分析和信号滤波两个子程序。频谱分析包括信号FFT变换和功率谱分析，信号的FFT变换仿真实验可以实现常见信号的频谱分析，实验中可以在信号发生器中选择矩形方波信号、三角波信号、锯齿波信号等信号对信号分别信息频谱分析，得到幅频谱和相频谱，观察不同信号频谱的区别，也可以改变信号的初始相位，观察频谱的变化。信号滤波子程序可以实现信号的数字滤波，包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器四种，信号源来自白噪声信号叠加一个正弦信号，将信号分别通过四种不同的滤波器。观察输出的信号时域波形的变化，并对信号进一步进行频谱分析，观察信号频域组成的变化，从而了解滤波器的作用。

(五)仿真程序网络化。用LABVIEW自带的网页发布工具对VI实现网页化，并在局域网内可以实现访问。利用本机作为服务器，实验学生作为客户端在浏览器上输入链接就可以访问到事先打开存储在内存中的VI，并在自己的计算机完成仿真实验。

五、结语

机械工程测试技术虚拟仿真实验系统以LabVIEW为开发平台，以MATLAB为数据处理的工具，实现了机械工程测试技术课程的主要知识点的虚拟仿真，仿真实验开发不需要添加任何硬件设备，大大节约了实验投入成本，同时又弥补了传统实验仪器功能单一固化、实验数量少等问题的不足。通过基于网络的仿真实验，可以将抽象的知识形象生动地通过仿真实验展现出来，可以随时随地利用业余时间进行仿真实验，将课程学习从课堂引申到课外，提高了学生的自主学习能力，加强了对所学知识的理解，提高了教学质量。