專利名稱：面向固-液兩相軟性磨粒流精密加工的測控系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及精密模具拋光領域，主要是一種面向固-液兩相軟性磨粒流精密模具拋光設備的測控系統。
背景技術：
隨著人們現代化生活要求的提升以及國際化商品市場的激烈競爭，我國模具工業無論在設計能力上，數量上，還是在制造質量上都有了較大突破，但是，如日化用品和飲料包裝器，IT行業產品，更有光學鏡片，相機鏡頭，鐳射唱片等都對模具表面粗糙度提出了極高要求。目前模具的成型工藝，采用銑削、電火花、線切割、電鑄等方法。但是，加工出來的模具表面粗糙度Ra值為10 μ m,采用高水平的電加工機床表面粗糙度Ra值為0. 8-1. 6 μ m, 但它的機床設備昂貴并且加工時間較長。在模具設計，制造，粗加工打精加工及最后的拋光過程中，由于模具的表面粗糙度與模具的使用壽命，制品的外觀以及是否便于脫模關系密切，因此作為最后一道加工工序——拋光，正變得越來越重要，解決這類表面以及相似的表面的拋光具有重要意義。現有方法一般都利用工具接觸或者靠近工件表面進行加工，如電解光整加工需使用工具電極，研磨拋光需使用研磨具和拋光工具。但是，當需要對精密模具中的溝、槽、孔、 棱柱、棱錐、窄縫等異型表面進行光整加工時，由于這類被加工表面過于細微，加之部分模具表面存在有直角轉角等難以加工的區域，所以上述有工具加工方法難以對其進行全方位光整加工。為了突破對精密模具中的溝、槽、孔、棱柱、棱錐、窄縫等異型表面進行光整加工的瓶頸。國內外專家提出了流體加工技術，由于流體的流動特性，可以使流體與加工表面形成 “無縫”接觸，因此流體加工技術在一些特定的加工場合有著不可比擬的優勢。利用帶有磨削作用的固體顆粒與粘性液體混合構成磨粒流進行加工是近幾年新興的加工方法。其中固-液兩相軟性磨粒流精密加工技術是利用處于湍流狀態的磨粒流對模具的溝、槽、孔、棱柱、棱錐、窄縫等異型表面進行微力微量的磨削作用。目前關于基于軟性磨粒流的拋光主要集中在基礎理論研究尤其在對湍流進行精密加工機理的分析。目前兩相流參數檢測與應用領域中，根據流型圖和流型轉換判據雖然可以確定流型，但是在實際工程中最有效的方法還是利用某種儀表直接測量管道內兩相流的實際流態。流態的檢測方法，根據工作原理可分為二類①直接測量法，根據兩相流的流動形式， 直接確定流態，如目測法，高速攝像法，射線衰減法和接觸探頭法等。②間接測量法，通過對反應兩相流波動特性的信號進行統計分析，確定流態。常用的統計分析方法有概率密度函數(PDF)和功率譜密度函數(PSD)，常測量的反應兩相流波動特性的信號由靜壓力，空隙率寸。所述兩相流檢測方法具有較大的局限性，難以滿足實際工程需要；首先，直接測量法中的目測法，在固-液兩相軟性磨粒流進行高精密加工中，無法通過目測進行檢測流態，同時，由于高速攝像法，射線衰減法和接觸探頭法等方法中的儀器十分昂貴，使用成本太高，難以普及工程應用；其次，在間接測量法中，由于固-液兩相軟性磨粒流精密加工的微小流道，以及湍流的突出特點是表現其流速，壓力等動力特征做紊亂的，無序的脈動，無法用簡單的空間和時間函數對湍流進行完整的分析，因此，很難使用測量反應兩相流波動特性的信號的靜壓力，空隙率等這些參數。在固-液兩相軟性磨粒流精密模具拋光研究領域，目前探究具有約束模塊的流道內磨粒流流動狀態與拋光的相關性，主要還在于理論分析與數值仿真計算上。因具有約束模塊的流道內的固-液兩相軟性磨粒流流動的動態特性非常復雜，研究它的運動規律比較困難，不僅需要理論的推導，同時也需要實驗的證明和輔助。
發明內容
為克服現有技術的上述問題，本發明提供了一種可準確檢測固-液兩相軟性磨粒流流態，造價低、成本低的面向固-液兩相軟性磨粒流精密加工的測控系統。面向固-液兩相軟性磨粒流精密加工的測控系統，包括安裝于磨粒流流道上的獲取當前時刻的磨粒流流動狀態參數的傳感器組，與傳感器組連接的數據采集模塊，與數據采集模塊連接、將每個傳感器獲取的流動狀態參數轉換為參數序列、并用所有的參數序列構成參數矩陣的分析處理模塊，和將當前時刻的參數矩陣與上一時刻的參數矩陣比較、通過控制流道上的泵的流量使磨粒流的流動狀態保持穩定的模糊控制模塊；一個參數序列構成所述的參數矩陣中的一行數據；以泵的流量作為模糊控制模塊的被控變量，以當前時刻的參數矩陣與上一時刻的參數矩陣的匹配程度值和變換率作為模糊控制模塊的輸入值；所述的匹配程度值和變換率通過傳輸模塊輸入顯示模塊中，所述的數據采集模塊通過所述的傳輸模塊與所述的顯示模塊連接，所述的傳感器組獲取的實際信號顯示于所述的顯示模塊。進一步，所述的傳感器組包括安裝于流道、獲取流道的實際振動信號的振動傳感器，安裝于流道底部、獲取磨粒流流過時產生的實際壓力信號的壓力傳感器，獲取磨粒流實際溫度信號的溫度傳感器，獲取磨粒流當前的實際流速信號的流速傳感器，獲取流道內磨粒流的實際流量信號的流量傳感器。進一步，所述的傳感器組與數據采集模塊之間設有將各傳感器獲取的信號轉換為單片機能處理的信號的調理模塊和將調理模塊輸出的信號轉換為數字信號的A/D轉換器。進一步，所述的數據采集模塊包括濾除信號中的干擾噪聲、形成純凈信號的數字濾波單元，將純凈信號做標度變換、形成正確比例信號的標度變換單元和補償正確比例信號的溫度漂移的修正補償單元；對于壓力信號與振動信號采用數字低通濾波Y(k) = (l-a)Y(k-l)+aX(k)其中，a是一個小于1的常數a = T/(T+RC)，T是采樣周期，RC為時間常數；對于溫度信號采用一階滯后濾波，Y(k) = (I-Q) Y(K-I)+QX(K)其中，濾波系數Q = Τ/(Τ+ τ ) ；T為采樣周期，τ為數字濾波器的時間常數；對于流量信號采用滑動平均濾波法，Y(K) = Q1X(K) +Q2X(K-I)+Q3X(Κ-2)；其中 0^ + = 1，且 Gl1 > Gl2 > 仏。
進一步，所述的分析處理模塊為對來自數據采集模塊的信號進行多尺度細化、形成參數序列的小波包分析單元。或者，所述的分析處理模塊為通過基-2時間抽取快速傅里葉變換算法將參數信號轉換為參數序列的快速傅里葉變換分析單元。本發明的技術構思是通過在磨粒流流道上設置傳感器組來獲取流道內的流動條件參數，經分析處理模塊將參數轉換為參數序列、形成參數矩陣，以當前時刻的參數矩陣與上一時刻的參數矩陣的匹配程度值和變換率作為模糊控制模塊的輸入值，以泵的流量作為模糊控制模塊的被控變量，利用模糊控制算法使磨粒流處于穩定的流動狀態。只需獲取不同流動條件下磨粒流的狀態參數，即可模擬磨粒流的運動規律。壓力傳感器、振動傳感器、流量傳感器、流速傳感器、溫度傳感器的輸出信號，經過各自信號調理電路后進入具有多路通道A/D轉換器的前端微控制器。在基于有限狀態機自動機理論的應用軟件架構中，根據實驗人員與集成數據采集模塊與信號分析與處理模塊裝置的交互情況，切換并控制不同數據采集通道的開通或關斷以此選擇不同的測量信號變量，之后通過軟件配置選擇不同數字信號處理算法來處理數據。在基于有限狀態機自動機理論的應用軟件架構中針對采集不同的傳感器的信號，調用不同的數字濾波程序、采樣數據的標度變換程序、溫度補償及引入修正量校正系統誤差程序進行數據的預處理。調理電路主要在考慮放大器的精度(失調及溫漂)、速度、幅度(工作電壓范圍及增益)及共模抑制等要求下采用程控增益放大器與儀表放大器，構建包括放大、濾波、線性化補償、隔離、保護等調理電路。數字濾波單元主要是根據不同信號的特點，設計不同的數字濾波程序。壓力信號與振動信號，根據其變化速度快高頻噪聲多等特點采用數字低通濾波；根據工況下溫度信號連續且變化滯后的特點，采用一階滯后濾波；根據入口流量信號連續且上下波動的特點， 采用滑動平均濾波法。基于有限狀態機自動機的應用軟件架構，建立具有很好的人機交互性與可擴展性的采集功能可配置的數據采集與信號分析與處理的軟件架構。在面向固-液兩相軟性磨粒流精密加工的實驗研究用測控系統的設計中，前端集成數據采集采集模塊及數字信號分析處理模塊的裝置軟件狀態機，可以看成一個事件驅動處理機制，是一個純粹的事件響應引擎內核。基于該有限狀態機的面向固-液兩相軟性磨粒流的測控系統軟件結構是一個層次化的狀態機，包括二個外部中斷事件，一個時間事件，三個層次的狀態機結構。狀態機主要用于捕獲嵌入式Linux平臺發出的控制流，根據用戶的指示選擇需要采集的信號及其數字信號分析與處理算法和重要的數據處理運算，并傳輸至嵌入式Linux平臺實時動態圖表顯示狀態，并結合固-液兩相軟性磨粒流精密加工機理，探索最優加工效果的流動狀態。外部中斷事件是前端集成數據采集采集模塊與數字信號分析與處理裝置的外部電平中斷，它由嵌入式Linux平臺根據實驗人員的指令產生并傳輸給前端集成數據采集采集模塊與數字信號分析與處理裝置。主要用于三個狀態轉換作用首先用于控制數據采集模塊運行于自動數據采集模式狀態或者是手動控制數據采集模式狀態；其次是控制數據采集模塊在手動模式狀態中，切換到不同信號(振動信號、壓力信號、流量信號、流速信號)單獨采集；再次，配置給數字信號分析與處理系統不同的數字信號處理算法，包括小波包分析、快速傅里葉變換分析。
時間事件是在前端集成數據采集模塊與數字信號分析與處理裝置的微控制器內定時器產生的定時中斷。主要應用于自動數據采集模式狀態下，依據時間按程序設定的序列順序采集振動信號、壓力信號、流量信號、流速信號后經過數據預處理后在數字信號分析與處理系統中根據程序設定的算法進行處理。層次化的狀態機包括三層次，在第一層次中，具有初始化狀態、自動數據采集模式狀態、手動數據采集模式狀態。在第二個層次中，在自動數據采集模式狀態下，具有溫度信號處理狀態、振動信號處理狀態、壓力信號處理狀態、流量信號處理狀態、流速信號處理狀態、數據處理算法及數據傳輸狀態，在時間事件的驅動下狀態循環轉換，以達到自動數據采集目的；在手動數據采集模式狀態下，具有壓力信號狀態、振動信號狀態、流量信號狀態，在外部中斷事件驅動下切換不同信號的采集。在第三層次下，即在手動數據采集模式狀態下的各個信號采集狀態(壓力信號狀態、振動信號狀態、流量信號狀態)下，具有小波包分析狀態、快速傅里葉變換分析狀態，在外部事件驅動下在不同分析算法狀態之間切換。分析處理模塊針對具有約束模塊的流道內的固-液兩相軟性磨粒流的不同流動狀態所反映出的各種信號特點。通過實驗調整其算法參數，提取固-液兩相軟性磨粒流的不同流動狀態的數字信號的信號特征，研究特征數據與固-液兩相軟性磨粒流的流動狀態的相關性，以此輔助理論研究。采用兩套數字信號處理算法可進行切換處理小波包分析算法與快速傅里葉變換分析算法。小波包分析單元主要基于Mallat算法，根據固-液兩相軟性磨粒流的中形成湍流具有紊亂的，無序的脈動的特點，在進行5層小波分解后，進行的小波重構中對高頻成分進行修正，以突出磨粒流的湍流的特點，以便于進行識別固-液兩相軟性磨粒流的流動狀態。Mallat算法公式如下C]+u=YJh(m~2k)C]m
mDJ+u=Ts(m~2k)Chm
m其中，h，g分別是尺度系數和小波系數，CJ+1,k, DJ+1,k是j+1層的平滑系數和細節系數。由于濾波器的長度有限，為方便計算將公式變換如下C;+U = Hh(n)Cjm
mD1+u =TjS(^)C ]m
m由于采用DB4小波，其尺度函數系數為h0 = 0. 483，hi = 0. 837，h2 = 0. 224，h3 = _0· 1四。則DB4小波的小波函數系數是g0 = h3, gi = _h2，g2 = h1 g3 = h0寫成C語言的表達形式為C]+l [Λ]=玄 h[n]C] [η + 2k]D^m^gMD^n + lk]
n=0該公式實際上是一個迭代公式，給定一個初始信號序列ICj，以數組為存儲形式，
6可計算出信號特征序列{(VJ，{CJ+2}... {CJ+5}等序列。所有的分析處理模塊的數據在基于有限狀態機軟件架構中，均以消息隊列的形式在不同程序模塊中傳遞。快速傅里葉變換分析單元主要基于定點程序實現計算，采用基-2時間抽取快速傅里葉變換算法，在FFT算法的實現過程中，對數據按二進制反序重排采用雷德算法。在理論上，FFT算法都是在輸入和輸出均為復數序列的條件下得出的，但是在面向固-液兩相軟性磨粒流精密加工的實驗研究用測控系統中，實時采集的信號數據都是實數序列。設定信號序列χ (η)，其中設定η = 128。分析處理模塊集成于基于有限狀態機的軟件架構下的前端微控制器中。模糊控制模塊，具有約束模塊的流道內的固-液兩相軟性磨粒流的流動狀態作為測控系統的對象時，由于其受到多種因素制約，且由于固-液兩相軟性磨粒流的流動的運動規律認識不足以及系統的復雜性，無法建立描述其響應特性的數學模型，不能進一步確定控制模式算法，因此，結合實驗研究人員的經驗采用模糊語言定義的模糊集合來加以歸類分類。將成功的人工控制策略總結成一個描述控制對策的模糊控制查詢表，進行計算機的查表操作，以實現模糊控制器。模糊控制模塊在嵌入式Linux平臺上實現，以一個Linux操作系統的進程形式存在。該控制器以泵的流量為被控變量，以壓力信號、振動信號、流量信號等信號的通過小波包提取的特征向量組成的信號矩陣在嵌入式Linux平臺上經基于卡爾曼濾波算法的多傳感器融合計算程序得出信號特征矩陣。之后經過數字圖像處理中的直方圖相交法計算特征矩陣的匹配程度值，最后以匹配程度值及其變換率作為模糊控制器的輸入量。顯示模塊與數據采集系統、分析處理系統之間的傳輸模塊為三級系統首先前端集成數據采集模塊與分析處理模塊的裝置，通過異步串口傳輸已經數字信號處理算法處理的數據至嵌入式Linux平臺，二者通信具有簡單穩定的通信協議；其次，為了凸顯嵌入式 Linux平臺在網絡上優點，嵌入式Linux平臺與計算機的通信通過以太網協議，在嵌入式 Linux平臺上實現Web服務器，實驗人員通過計算機上的網頁瀏覽器，收集實驗數據以及以網頁圖表形式查看數據，不需要專門的計算機程序。通信協議，主要以幀為通信單位，幀的格式如下幀頭+總字節數+幀命令+幀內容+校驗和。具體細節如下①幀頭0XAA，0x55O字節)；②總字節數該幀包含的字節總數(1字節)，不能超過20字節；③幀命令該幀的功能(1字節)；④幀內容幀內容(η字節)；⑤校驗和總字節數、幀命令、幀內容所有字節的校驗和(1字節)。本發明的有益效果在于1)該方法在具有約束模塊工件上安裝多種傳感器，通過對多種信號進行特殊的實時信號處理，然后對多傳感器信息進行融合，即可準確檢測固-液兩相軟性磨粒流流態，而無需其他昂貴的，如高速攝像法，射線衰減法和接觸探頭法中使用的儀器。2)設備造價低，安裝方便，易于拆裝，適合工程化。3)采用小波分析技術提取磨粒流流態多種信號的高頻信號，用大量實驗數據形成磨粒流流態特征表來識別并推斷磨粒流的實際流態，大大提高了磨粒流流態識別的準確度。4)功能完善的基于有限狀態自動機的固-液兩相軟性磨粒流測控軟件架構，具有很好的人機交互性與可擴展性的采集功能可配置的數據采集與信號分析處理的軟件架構，很有現實意義和應用價值。5)采用嵌入式Linux技術，利用其完善的網絡功能，使得研究人員能夠通過計算機網頁瀏覽器進行數據的查看與控制。
圖1本發明的固-液兩相軟性磨粒流測控系統組成示意圖。圖2本發明的前端數據采集與信號處理裝置中有限狀態機的UML狀態圖。圖3本發明的前端數據采集與信號處理裝置中狀態機狀態層次示意圖。圖4本發明的多傳感器數據融合方案示意圖。圖5本發明的嵌入式Linux系統與計算機程序流程圖。
具體實施例方式參照附圖，進一步說明本發明面向固-液兩相軟性磨粒流精密加工的測控系統，包括安裝于磨粒流流道上的獲取當前時刻的磨粒流流動狀態參數的傳感器組，與傳感器組連接的數據采集模塊，與數據采集模塊連接、將每個傳感器獲取的流動狀態參數轉換為參數序列、并用所有的參數序列構成參數矩陣的分析處理模塊，和將當前時刻的參數矩陣與上一時刻的參數矩陣比較、通過控制流道上的泵的流量使磨粒流的流動狀態保持穩定的模糊控制模塊；一個參數序列構成所述的參數矩陣中的一行數據；以泵的流量作為模糊控制模塊的被控變量，以當前時刻的參數矩陣與上一時刻的參數矩陣的匹配程度值和變換率作為模糊控制模塊的輸入值；所述的匹配程度值和變換率通過傳輸模塊輸入顯示模塊中，所述的數據采集模塊通過所述的傳輸模塊與所述的顯示模塊連接，所述的傳感器組獲取的實際信號顯示于所述的顯示模塊。所述的傳感器組包括安裝于流道、獲取流道的實際振動信號的振動傳感器，安裝于流道底部、獲取磨粒流流過時產生的實際壓力信號的壓力傳感器，獲取磨粒流實際溫度信號的溫度傳感器，獲取磨粒流當前的實際流速信號的流速傳感器，獲取流道內磨粒流的實際流量信號的流量傳感器。所述的傳感器組與數據采集模塊之間設有將各傳感器獲取的信號轉換為單片機能處理的信號的調理模塊和將調理模塊輸出的信號轉換為數字信號的A/D轉換器。所述的數據采集模塊包括濾除信號中的干擾噪聲、形成純凈信號的數字濾波單元，將純凈信號做標度變換、形成正確比例信號的標度變換單元和補償正確比例信號的溫度漂移的修正補償單元；對于壓力信號與振動信號采用數字低通濾波Y(k) = (l-a)Y(k-l)+aX (k)其中，a是一個小于1的常數a = T/(T+RC)，T是采樣周期，RC為時間常數；對于溫度信號采用一階滯后濾波，Y(k) = (I-Q) Y(K-I)+QX(K)其中，濾波系數Q = Τ/(Τ+ τ ) ；T為采樣周期，τ為數字濾波器的時間常數；對于流量信號采用滑動平均濾波法，
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Y(K) = Q1X(K) +Q2X(K-I)+Q3X(K-2)；其中 0^ + = 1，且 Gl1 > Gl2 > 仏。所述的分析處理模塊為對來自數據采集模塊的信號進行多尺度細化、形成參數序列的小波包分析單元。本發明的技術構思是通過在磨粒流流道上設置傳感器組來獲取流道內的流動條件參數，經分析處理模塊將參數轉換為參數序列、形成參數矩陣，以當前時刻的參數矩陣與上一時刻的參數矩陣的匹配程度值和變換率作為模糊控制模塊的輸入值，以泵的流量作為模糊控制模塊的被控變量，利用模糊控制算法使磨粒流處于穩定的流動狀態。只需獲取不同流動條件下磨粒流的狀態參數，即可模擬磨粒流的運動規律。壓力傳感器、振動傳感器、流量傳感器、流速傳感器、溫度傳感器的輸出信號，經過各自信號調理電路后進入具有多路通道A/D轉換器的前端微控制器。在基于有限狀態機自動機理論的應用軟件架構中，根據實驗人員與集成數據采集模塊與信號分析與處理模塊裝置的交互情況，切換并控制不同數據采集通道的開通或關斷以此選擇不同的測量信號變量，之后通過軟件配置選擇不同數字信號處理算法來處理數據。在基于有限狀態機自動機理論的應用軟件架構中針對采集不同的傳感器的信號，調用不同的數字濾波程序、采樣數據的標度變換程序、溫度補償及引入修正量校正系統誤差程序進行數據的預處理。調理電路主要在考慮放大器的精度(失調及溫漂)、速度、幅度(工作電壓范圍及增益)及共模抑制等要求下采用程控增益放大器與儀表放大器，構建包括放大、濾波、線性化補償、隔離、保護等調理電路。數字濾波單元主要是根據不同信號的特點，設計不同的數字濾波程序。壓力信號與振動信號，根據其變化速度快高頻噪聲多等特點采用數字低通濾波；根據工況下溫度信號連續且變化滯后的特點，采用一階滯后濾波；根據入口流量信號連續且上下波動的特點， 采用滑動平均濾波法。基于有限狀態機自動機的應用軟件架構，建立具有很好的人機交互性與可擴展性的采集功能可配置的數據采集與信號分析與處理的軟件架構。在面向固-液兩相軟性磨粒流精密加工的實驗研究用測控系統的設計中，前端集成數據采集采集模塊及數字信號分析處理模塊的裝置軟件狀態機，可以看成一個事件驅動處理機制，是一個純粹的事件響應引擎內核。基于該有限狀態機的面向固-液兩相軟性磨粒流的測控系統軟件結構是一個層次化的狀態機，包括二個外部中斷事件，一個時間事件，三個層次的狀態機結構。狀態機主要用于捕獲嵌入式Linux平臺發出的控制流，根據用戶的指示選擇需要采集的信號及其數字信號分析與處理算法和重要的數據處理運算，并傳輸至嵌入式Linux平臺實時動態圖表顯示狀態，并結合固-液兩相軟性磨粒流精密加工機理，探索最優加工效果的流動狀態。外部中斷事件是前端集成數據采集采集模塊與數字信號分析與處理裝置的外部電平中斷，它由嵌入式Linux平臺根據實驗人員的指令產生并傳輸給前端集成數據采集采集模塊與數字信號分析與處理裝置。主要用于三個狀態轉換作用首先用于控制數據采集模塊運行于自動數據采集模式狀態或者是手動控制數據采集模式狀態；其次是控制數據采集模塊在手動模式狀態中，切換到不同信號(振動信號、壓力信號、流量信號、流速信號)單獨采集；再次，配置給數字信號分析與處理系統不同的數字信號處理算法，包括小波包分析、快速傅里葉變換分析。時間事件是在前端集成數據采集模塊與數字信號分析與處理裝置的微控制器內定時器產生的定時中斷。主要應用于自動數據采集模式狀態下，依據時間按程序設定的序列順序采集振動信號、壓力信號、流量信號、流速信號后經過數據預處理后在數字信號分析與處理系統中根據程序設定的算法進行處理。層次化的狀態機包括三層次，在第一層次中，具有初始化狀態、自動數據采集模式狀態、手動數據采集模式狀態。在第二個層次中，在自動數據采集模式狀態下，具有溫度信號處理狀態、振動信號處理狀態、壓力信號處理狀態、流量信號處理狀態、流速信號處理狀態、數據處理算法及數據傳輸狀態，在時間事件的驅動下狀態循環轉換，以達到自動數據采集目的；在手動數據采集模式狀態下，具有壓力信號狀態、振動信號狀態、流量信號狀態，在外部中斷事件驅動下切換不同信號的采集。在第三層次下，即在手動數據采集模式狀態下的各個信號采集狀態(壓力信號狀態、振動信號狀態、流量信號狀態)下，具有小波包分析狀態、快速傅里葉變換分析狀態，在外部事件驅動下在不同分析算法狀態之間切換。分析處理模塊針對具有約束模塊的流道內的固-液兩相軟性磨粒流的不同流動狀態所反映出的各種信號特點。通過實驗調整其算法參數，提取固-液兩相軟性磨粒流的不同流動狀態的數字信號的信號特征，研究特征數據與固-液兩相軟性磨粒流的流動狀態的相關性，以此輔助理論研究。采用兩套數字信號處理算法可進行切換處理小波包分析算法與快速傅里葉變換分析算法。小波包分析單元主要基于Mallat算法，根據固-液兩相軟性磨粒流的中形成湍流具有紊亂的，無序的脈動的特點，在進行5層小波分解后，進行的小波重構中對高頻成分進行修正，以突出磨粒流的湍流的特點，以便于進行識別固-液兩相軟性磨粒流的流動狀態。Mallat算法公式如下C]+u=YJh(m~2k)C]m
mDJ+u=Ts(m~2k)Chm
m其中，h，g分別是尺度系數和小波系數，CJ+1,k, DJ+1,k是j+1層的平滑系數和細節系數。由于濾波器的長度有限，為方便計算將公式變換如下C;+U = Hh(n)Cjm
mD1+u =TjS(^)C ]m
m由于采用DB4小波，其尺度函數系數為h0 = 0. 483，hi = 0. 837，h2 = 0. 224，h3 = _0· 1四。則DB4小波的小波函數系數是g0 = h3, gi = _h2，g2 = h1 g3 = h0寫成C語言的表達形式為=+D^m^gMD^n + lk]
n=0該公式實際上是一個迭代公式，給定一個初始信號序列{Cj}，以數組為存儲形式， 可計算出信號特征序列IXVJ，{cJ+2}... {cJ+5}等序列。所有的分析處理模塊的數據在基于有限狀態機軟件架構中，均以消息隊列的形式在不同程序模塊中傳遞。分析處理模塊集成于基于有限狀態機的軟件架構下的前端微控制器中。模糊控制模塊，具有約束模塊的流道內的固-液兩相軟性磨粒流的流動狀態作為測控系統的對象時，由于其受到多種因素制約，且由于固-液兩相軟性磨粒流的流動的運動規律認識不足以及系統的復雜性，無法建立描述其響應特性的數學模型，不能進一步確定控制模式算法，因此，結合實驗研究人員的經驗采用模糊語言定義的模糊集合來加以歸類分類。將成功的人工控制策略總結成一個描述控制對策的模糊控制查詢表，進行計算機的查表操作，以實現模糊控制器。模糊控制模塊在嵌入式Linux平臺上實現，以一個Linux操作系統的進程形式存在。該控制器以泵的流量為被控變量，以壓力信號、振動信號、流量信號等信號的通過小波包提取的特征向量組成的信號矩陣在嵌入式Linux平臺上經基于卡爾曼濾波算法的多傳感器融合計算程序得出信號特征矩陣。之后經過數字圖像處理中的直方圖相交法計算特征矩陣的匹配程度值，最后以匹配程度值及其變換率作為模糊控制器的輸入量。顯示模塊與數據采集系統、分析處理系統之間的傳輸模塊為三級系統首先前端集成數據采集模塊與分析處理模塊的裝置，通過異步串口傳輸已經數字信號處理算法處理的數據至嵌入式Linux平臺，二者通信具有簡單穩定的通信協議；其次，為了凸顯嵌入式 Linux平臺在網絡上優點，嵌入式Linux平臺與計算機的通信通過以太網協議，在嵌入式 Linux平臺上實現Web服務器，實驗人員通過計算機上的網頁瀏覽器，收集實驗數據以及以網頁圖表形式查看數據，不需要專門的計算機程序。通信協議，主要以幀為通信單位，幀的格式如下巾貞頭+總字節數+幀命令+幀內容+校驗和。具體細節如下①幀頭0XAA，0x55O字節)；②總字節數該幀包含的字節總數(1字節)，不能超過20字節；③幀命令該幀的功能(1字節)；④幀內容幀內容(η字節)；⑤校驗和總字節數、幀命令、幀內容所有字節的校驗和(1字節)。實施例二本實施例與實施例一的區別在于所述的分析處理模塊為通過基-2時間抽取快速傅里葉變換算法將參數信號轉換為參數序列的快速傅里葉變換分析單元。快速傅里葉變換分析單元主要基于定點程序實現計算，采用基-2時間抽取快速傅里葉變換算法，在FFT算法的實現過程中，對數據按二進制反序重排采用雷德算法。在理論上，FFT算法都是在輸入和輸出均為復數序列的條件下得出的，但是在面向固-液兩相軟性磨粒流精密加工的實驗研究用測控系統中，實時采集的信號數據都是實數序列。設定信號序列χ (η)，其中設定η = 128。本說明書實施例所述的內容僅僅是對發明構思的實現形式的列舉，本發明的保護范圍不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發明的保護范圍也及于本領域技術人員根據本發明構思所能夠想到的等同技術手段。
1權利要求
1.面向固-液兩相軟性磨粒流精密加工的測控系統，其特征在于包括安裝于磨粒流流道上的獲取當前時刻的磨粒流流動狀態參數的傳感器組，與傳感器組連接的數據采集模塊，與數據采集模塊連接、將每個傳感器獲取的流動狀態參數轉換為參數序列、并用所有的參數序列構成參數矩陣的分析處理模塊，和將當前時刻的參數矩陣與上一時刻的參數矩陣比較、通過泵的輸出流量控制流道上的磨粒流的流動狀態保持穩定的模糊控制模塊；一個參數序列構成所述的參數矩陣中的一行數據；以泵的流量作為模糊控制模塊的被控變量，以當前時刻的參數矩陣與上一時刻的參數矩陣的匹配程度值及其變換率作為模糊控制模塊的輸入值；所述的匹配程度值及其變換率通過傳輸模塊輸入顯示模塊中，所述的數據采集模塊通過所述的傳輸模塊與所述的顯示模塊連接，所述的傳感器組獲取的實際信號顯示于所述的顯示模塊。
2.如權利要求1所述的面向固-液兩相軟性磨粒流精密加工的測控系統，其特征在于 所述的傳感器組包括安裝于流道、獲取流道的實際振動信號的振動傳感器，安裝于流道底部、獲取磨粒流流過時產生的實際壓力信號的壓力傳感器，獲取磨粒流實際溫度信號的溫度傳感器，獲取磨粒流當前的實際流速信號的流速傳感器，獲取流道內磨粒流的實際流量信號的流量傳感器。
3.如權利要求2所述的面向固-液兩相軟性磨粒流精密加工的測控系統，其特征在于 所述的傳感器組與數據采集模塊之間設有將各傳感器獲取的微弱模擬信號放大、抗混疊濾波形成合適的可處理的模擬信號的調理模塊和將調理模塊輸出的模擬信號轉換為單片機能處理數字信號的A/D轉換器。
4.如權利要求3所述的面向固-液兩相軟性磨粒流精密加工的測控系統，其特征在于 所述的數據采集模塊包括濾除信號中的干擾噪聲、形成純凈信號的數字濾波單元，將純凈信號做標度變換、形成正確比例信號的標度變換單元和補償正確比例信號的溫度漂移的修正補償單元；對于壓力信號與振動信號采用數字低通濾波Y (k) = (l-a)Y(k-l)+aX(k)其中，a是一個小于1的常數a = T/(T+RC)，T是采樣周期，RC為時間常數；對于溫度信號采用一階滯后濾波，Y(k) = (I-Q) Y(K-I)+QX(K)其中，濾波系數Q = Τ/(Τ+ τ ) ；T為采樣周期，τ為數字濾波器的時間常數；對于流量信號采用滑動平均濾波法，Y(K) = Q1X(K) +Q2X(K-I)+Q3X(Κ-2)；其中 0!+ + = 1，且 Gl1 > Gl2 > 仏。
5.如權利要求4所述的面向固-液兩相軟性磨粒流精密加工的測控系統，其特征在于 所述的分析處理模塊為對來自數據采集模塊的信號進行多尺度細化、形成參數序列的小波包分析單元。
6.如權利要求4所述的面向固-液兩相軟性磨粒流精密加工的測控系統，其特征在于 所述的分析處理模塊為通過基-2時間抽取快速傅里葉變換算法將參數信號轉換為參數序列的快速傅里葉變換分析單元。
全文摘要
面向固-液兩相軟性磨粒流精密加工的測控系統，包括傳感器組，與傳感器組連接的數據采集模塊，與數據采集模塊連接的分析處理模塊，和模糊控制模塊；一個參數序列構成所述的參數矩陣中的一行數據；以泵的流量作為模糊控制模塊的被控變量，以當前時刻的參數矩陣與上一時刻的參數矩陣的匹配程度值和變換率作為模糊控制模塊的輸入值；所述的匹配程度值和變換率通過傳輸模塊輸入顯示模塊中，所述的數據采集模塊通過所述的傳輸模塊與所述的顯示模塊連接，所述的傳感器組獲取的實際信號顯示于所述的顯示模塊。
文檔編號G01N11/02GK102213667SQ20111006930
公開日2011年10月12日 申請日期2011年3月21日 優先權日2011年3月21日
發明者蘭信鴻, 李琛, 計時鳴, 譚大鵬 申請人:浙江工業大學