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高速旋转叶片振动信号仿真技术研究

作　者: 季茂林
导　师: 段发阶
学　校: 天津大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 脉冲信号发生器旋转叶片仿真高速高精度
分类号: TH825
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

涡轮机械设备广泛应用于航空航天、能源开发、工业生产等诸多领域,针对涡轮机械内高速旋转叶片的振动检测技术能够保证设备安全可靠运转,而基于叶尖定时原理的旋转叶片振动检测技术是当今发展的主流。本文针对实验室已开发的高速旋转叶片振动检测系统,研制了一个脉冲信号仿真系统,模拟检测系统中分布在机匣上的各传感器发出的包含叶片振动信息的脉冲信号,作为测试环节,验证系统中上位机软件算法的可靠性。通过建立包含叶片振动信息的方程式,推导出各叶片到达检测系统中传感器所需时间,以此时间值作为脉冲的到达时间,将脉冲信号送至检测系统,通过上位机软件分析,验证分析结果是否与设置的参数一致。通过比较各运算控制芯片的性能参数,最终选定基于ARM和FPGA的硬件方案,以保证本仿真系统高速、高精度、可调范围广的要求,且通过自带键盘、液晶等外设,可以使系统成为一个便携设备,方便使用。通过实际应用,本系统可以仿真叶片的同步振动、异步振动、扭振以及复合振动,已成功应用于高速旋转叶片振动检测系统中,近乎真实的反映叶片振动的参数。论文的主要内容如下:1.根据基于叶尖定时原理的振动信号的特点,建立包含叶片振动信息的数学方程式,迭代求出各叶片到达相应传感器的时间值,保证运算过程准确可靠。2.分析各运算控制器件的性能参数,最终选定基于ARM和FPGA的硬件方案,满足测试系统高速、高精度的要求。3.设计基于ARM和FPGA的硬件电路,制作电路板,完成系统调试,制作样机。4.编写了基于ARM的控制程序,和基于FPGA的运算程序,并通过实验,验证算法的准确性与可靠性。5.对检测现场实际传感器采集到信号的噪声进行分析,模拟产生白噪声,以使仿真结果更加真实。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-16
  1.1 旋转叶片振动检测技术的研究背景及意义  9-11
    1.1.1 旋转叶片振动检测技术的重要性  9
    1.1.2 旋转叶片振动检测技术的发展简介  9-11
  1.2 旋转叶片振动信号仿真技术的研究背景  11
  1.3 脉冲发生器的研究现状  11-14
    1.3.1 脉冲发生器的分类  11-12
    1.3.2 脉冲发生器的原理  12-14
  1.4 论文研究的主要内容  14-15
  1.5 本章小结  15-16
第二章高速旋转叶片振动信号仿真系统的设计原理  16-30
  2.1 叶片振动分析  16-18
    2.1.1 叶片振动的基本形式  16-17
    2.1.2 叶片振动的主要参数  17
    2.1.3 叶片固有频率分析  17-18
  2.2 旋转叶片振动检测系统的设计原理  18-21
    2.2.1 叶尖定时法测量原理  18-19
    2.2.2 旋转叶片振动检测系统的构成  19-21
  2.3 旋转叶片振动仿真系统分析  21-26
    2.3.1 仿真系统中脉冲信号的分析  22-23
    2.3.2 仿真系统的性能参数  23
    2.3.3 叶片振动的数学模型分析  23-26
  2.4 叶片振动信号的仿真  26-28
    2.4.1 异步振动信号的仿真  26
    2.4.2 同步振动信号的仿真  26-27
    2.4.3 扭转振动信号的仿真  27
    2.4.4 复合振动信号的仿真  27-28
  2.5 仿真系统的脉冲输出  28-29
    2.5.1 脉冲产生方案分析  28-29
    2.5.2 仿真系统脉冲输出方案  29
  2.6 本章小结  29-30
第三章系统设计方案  30-45
  3.1 硬件方案分析  30-35
    3.1.1 初步硬件方案拟定  30-32
    3.1.2 硬件器件选择  32-33
    3.1.3 硬件设计方案分析  33-35
  3.2 系统的硬件设计方案  35-42
    3.2.1 系统的硬件结构  35-36
    3.2.2 ARM 与FPGA 的数据通讯  36-37
    3.2.3 键盘电路  37-38
    3.2.4 液晶显示电路  38-39
    3.2.5 存储器电路  39-41
    3.2.6 仿真系统的供电  41-42
  3.3 系统的可靠性设计  42-44
    3.3.1 布局  42-43
    3.3.2 分层  43
    3.3.3 布线  43-44
    3.3.4 电磁兼容  44
  3.4 本章小结  44-45
第四章仿真系统的软件算法  45-58
  4.1 系统中运算速度与精度的权衡  45-47
    4.1.1 系统的精度保证  45-46
    4.1.2 系统的速度保证  46-47
  4.2 仿真系统中ARM 的控制程序  47-49
    4.2.1 ARM 的软件执行流程  47-48
    4.2.2 ARM 程序的优化  48
    4.2.3 ARM 与FPGA 的握手协议  48-49
  4.3 系统中FPGA 的运算程序  49-57
    4.3.1 FPGA 内部构成  49-50
    4.3.2 FPGA 的处理流程  50-52
    4.3.3 CORDIC 算法  52-53
    4.3.4 白噪声生成  53-55
    4.3.5 FPGA 编程优化  55-57
  4.4 上位机程序  57
  4.5 本章小结  57-58
第五章实验结果与分析  58-66
  5.1 系统运行时间分析  58-59
  5.2 系统运算精度分析  59-60
  5.3 系统的测试  60-65
    5.3.1 软件运行结果  60-62
    5.3.2 振动信号的仿真  62-65
  5.4 本章小结  65-66
总结与展望  66-68
参考文献  68-72
发表论文和参加科研情况说明  72-73
致谢  73

高速旋转叶片振动信号仿真技术研究

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