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一种基于matlab gui的姿控动力系统试车振动数据分析处理方法

文献发布时间：2024-04-18 20:02:18

技术领域

本发明涉及振动数据处理技术领域，具体涉及一种基于matlab gui的姿控动力系统试车振动数据分析处理方法。

背景技术

在航天工程领域中，姿控动力系统组装完成后，在正式投入使用之前需要进行系统的热试车来进一步测试姿控动力系统的各项运行指标以及各部件运行状况，为了检测各重要位置的力学振动情况，往往在规定的测量点位置安装传感器并获取对应振动加速度随时间变化的庞大数据，通常数据的采集采用较高的采样频率，一般为一秒上万个数据点，这不但增加了热试车后的数据分析与处理的工作量而且削弱了试验后数据处理的实时性。另一方面，在姿控动力系统试车过程中，各执行单机的动作顺序有严格的规定，试车时会按照规定好的时序进行动作，因此在数据分析处理过程中需要操作人员按照规定处理方法以及处理顺序进行数据分析处理，与此同时，在原始数据的选取上，同样要根据规定的动作时间与时长进行原始数据的截取。基于以上种种原因，现存的通用处理软件操作形式过于繁琐，数据分析处理逻辑相对复杂，没有办法实现高效、简洁、快速的姿控动力系统振动数据分析处理。于是需要一种针对于航天航空领域姿控动力系统的振动数据分析处理系统。

发明内容

针对现有技术至少一个缺陷而进行的改进，本发明提供一种基于matlab gui的姿控动力系统试车振动数据分析处理方法,在windows下，以matlab语言、matlab gui为工具，仅需要选择数据以及输入关键参数即可实现对姿控动力系统试车振动数据进行快速、专业化分析处理，并可视化呈现分析结果。本仿真系统的搭建降低振动大数据分析工作容量，提高数据分析效率；降低振动数据分析处理的难度；通用性强，对操作人员专业能力要求相对较低。

本发明所采用的技术方案是一种基于matlab gui的姿控动力系统试车振动数据分析处理方法，包括时域数据处理模块、功率谱密度数据处理模块、冲击响应数据处理模块、曲线显示模块；振动数据首先要经过时域曲线处理模块的时域曲线观测以及最值获取，然后通过冲击响应数据处理模块进行冲击响应谱分析和通过功率谱密度数据处理模块进行功率谱密度分析，曲线显示模块包括时域曲线显示模块、频域曲线显示模块，所述的时域数据处理模块的时域曲线通过时域曲线显示模块显示，所述的功率谱密度数据处理模块、冲击响应数据处理模块的频域曲线通过频域曲线显示模块显示，数据分析处理方法包括以下步骤：

S1，输入姿控动力系统振动试验时采集系统指定的采样频率；

S2，自定义选择需要导入的.txt文件，获得姿控动力系统振动试验测量点信息以及文件名称信息，其中，测量点信息为X、Y、Z加速度数值；

S3，按照X、Y、Z轴顺序，进行姿控动力系统振动时域数据绘制，调整曲线观测范围，获取时域曲线最大值信息,根据试验规定选择分析处理内容，选择进入步骤S4或S5或S6；

S4，调整时域曲线观测范围，导出满足需求的曲线矢量图；

S5，a)调整时域曲线观测范围，按照规定处理时间段框选时域曲线，按照X、Y、Z轴顺序，进行姿控动力系统振动功率谱密度曲线绘制；

b)调整观测范围，按照X、Y、Z轴顺序，获取姿控动力系统振动功率谱密度曲线均方根值；

c)，调整观测范围，按照X、Y、Z轴顺序，获取姿控动力系统振动功率谱密度曲线最大值信息，其中最大值信息包括：幅值最大值、对应横坐标频率值；

d)，调整观测范围，导出满足需求的曲线矢量图；

S6，a)按照规定设置初始频率、阻尼系数、截止频率以及倍频程变量系数；

b)调整时域曲线观测范围，按照规定处理时间段框选时域曲线，按照X、Y、Z轴顺序，进行姿控动力系统冲击相应谱曲线绘制；

c)调整观测范围，按照X、Y、Z轴顺序，获取姿控动力系统冲击相应谱曲线最大值信息，其中最大值信息包括：幅值最大值、对应横坐标频率值；

d)调整观测范围，导出满足需求的曲线矢量图；

优选的，所述的时域曲线最值信息获取模块可自适应的获取当前时域曲线显示模块中所显示曲线的最大值并以四舍五入保留小数点后两位的数字形式显示在对应列表中。

优选的，所述的功率谱密度曲线最值信息获取模块和均方根值信息获取模块可自适应的获取当前频域曲线显示模块中所显示曲线的最大值以及均方根值并以四舍五入保留小数点后两位的数字形式显示在对应列表中。

优选的，所述的冲击响应谱曲线最值信息获取模块可自适应的获取当前频域曲线显示模块中所显示曲线的最大值并以四舍五入保留小数点后两位的数字形式显示在对应列表中。

优选的，所述的时域曲线显示模块和频域曲线显示模块均自带放缩调整功能。

优选的，所述的时域曲线显示模块、功率谱密度数据处理模块、冲击响应数据处理模块均包括窗口刷新模块，可清除当前在时域曲线显示模块或者是频域曲线显示模块中所显示的曲线。

优选的，所述的时域数据处理模块、功率谱密度数据处理模块、冲击响应数据处理模块均包括坐标轴适应窗口模块，用于观测时域曲线和频域曲线的完整幅值。

本发明的有益效果是：1)降低振动大数据分析工作容量，提高数据分析效率；2)降低振动数据分析处理的难度；3)多目标文件选取以及文件名可视化显示；4)针对可视化窗口自适应数据选取以及处理无需手动输入所选数据段；5)获取数据自动进行四舍五入小数点后两位保留操作；6)利用matlab带有的封装功能可以将系统封装为独立运行的程序，可在未安装matlab的其他计算机中使用具有较高通用性。

附图说明

图1为姿控动力系统试车振动数据分析处理系统框图。

图2为姿控动力系统试车振动数据分析处理流程图。

图3为数据导入模块的多目标文件导入排序流程图。

图4为曲线绘制自适应获取数据流程图。

图5为显示数据处理流程图。

图6为振动数据分析系统界面。

图7为多目标文件选择界面。

图8为数据导入成功提示界面以及数据文件名显示界面。

图9为时域曲线显示、曲线编辑界面以及最值显示界面。

图10为冲击响应数据处理界面。

图11为功率谱密度数据处理界面。

图12为功率谱密度曲线编辑界面。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件能够以各种不同的配置来布置和设计。

一般来讲，在姿控动力系统进行热试车时，振动测量点的布置数量通常高达数十个，并且每一个测量点将返回XYZ三个轴向上的振动数据，也就是说一次热试车结束后所返回的数据高达上百组，这无疑增加了数据分析的工作量，以及难度，所以需要一个有针对性并且操作便捷的数据处理系统以及方法来降低工作容量，提高数据分析效率。另一方面，在振动数据的分析处理中，常常需要操作者掌握相关专业理论以及进行大量公式推导。与此同时，在分析结果的呈现中还需要操作者拥有一定的代码编写以及修改能力，由于以上多种原因，使振动数据分析与处理操作人员具有较大局限性。所以需要一个功能简洁且功能可视化的数据处理系统以及方法来降低数据分析处理的难度。

针对上述技术问题，本发明提出了一种基于matlab gui的姿控动力系统试车振动数据处理系统及方法，属于振动数据处理领域。见附图1，本发明的系统包括：时域数据处理模块、功率谱密度数据处理模块、冲击响应数据处理模块、曲线显示模块。

其中时域数据处理模块包括采样频率设置模块；多目标数据导入模块、数据名称显示模块、时域曲线绘制模块、时域曲线最值信息获取模块；功率谱密度数据处理模块包括功率谱密度曲线绘制模块、曲线编辑模块、均方根值信息获取模块、功率谱密度曲线最值信息获取模块；冲击响应数据处理模块包括参数设置模块、冲击响应谱曲线绘制模块、冲击响应谱曲线最值信息获取模块。曲线显示模块包括时域曲线显示模块、频域曲线显示模块。

多目标数据导入模块、数据名称显示模块，用于多目标选择数据文件并显示其文件名称。其实现方式的程序流程如图3所示，多目标数据导入模块通过uigetfile()函数获取指定文件的文件名以及文件路径，为保证多目标选择，此时函数中的'multiselect'为'on'状态，在姿控动力系统试车振动实验中，每个测量点往往产生x、y、z三个轴向上的三列数据。将列数设置为循环变量N，通过for循环来提取每列数据的具体数值以及数据的文件名，从而实现多目标数据导入功能。

1.数据的导入

本软件可以导入根据传感器输出的.txt数据文本，首先根据热试车传感器实际的采样频率在采样频率设置模块中输入对应数字(单位为赫兹)，随后通过数据导入模块可以弹出所选文件夹并选取XYZ轴三个坐标轴的数据文件，在文件完成导入后，系统会自动弹出导入成功对话框。与此同时，数据名称显示模块上会显示所选择的数据文件名称。其中图6为软件主界面，图7为多目标数据导入选择界面，图8为数据导入成功后的自动弹窗提示界面。

2.数据分析与处理

一般来说，振动数据首先要经过时域曲线的观测以及最值获取，然后需要按照总体要求进行冲击响应谱分析或功率谱密度分析，故在本系统界面中分为时域数据处理模块、冲击响应数据处理模块以及功率谱密度数据处理模块，时域数据处理界面如图9所示，冲击响应谱数据处理界面如图10所示，功率谱密度数据处理界面如图11所示，图12为功率谱密度曲线编辑界面。

(1)时域数据处理模块

通过XYZ三个轴向的时域曲线绘制模块所绘制的时域曲线会单独显示在时域曲线显示模块中，即当使用X轴时域曲线绘制模块时，时域曲线显示模块会显示X轴的时域曲线，其余轴向以此类推。值得一提的是，当时域曲线显示模块显示对应时域曲线时，系统会自动弹出含有相同曲线内容的曲线编辑对话框方便对曲线进行单独的图例添加、命名、编辑坐标轴等针对性操作，方便其未来的报告整理与应用。

另一方面，时域曲线显示模块自带放缩调整功能，方便观察寻找时域曲线的特定观测点以及预期分析处理时间段。与此同时，时域曲线显示模块与坐标轴适应窗口模块的协同使用可以保证操作者在观测到期望时间段内时域曲线的完整幅值。

更多的是，在操作者选取好期望观测时间段的曲线后，时域曲线最值信息获取模块可以自适应的获取当前时域曲线显示模块中所显示曲线的最大值并以四舍五入保留小数点后两位的数字形式显示在对应列表中。其实现方式的程序流程图如图4、图5所示。最值信息获取模块功能主要有两个部分组成，第一个部分为自适应获取当前显示曲线所有数值如图4，第二个部分为获取当前显示曲线的最值如图5。其中，自适应获取当前显示曲线所有数值功能通过get()函数获取当前显示曲线的横坐标上界与下界，此时设定上届为Tup,下界为Tdown,将上界与采样频率相乘可以得到当前显示曲线数值数组的上届数值序号，下届数值序号则同理可得，最后通过data()函数即可实现调用当前显示曲线所有数值。另一方面，获取当前显示曲线的最值则通过max()函数获得目标数组最大值，同时用过floor()函数将其最大值四舍五入到小于或等于该数值的最接近整数并设定为最值信息的整数部分，另一方面，将通过max()函数得到的数值与通过floor()函数的数值相减可以得到作为最值信息的小数部分并通过round()函数保证此数值四舍五入到小数点后两位，从而实现最值信息获取功能，时域数据处理模块中的窗口刷新模块可以清除当前在时域曲线显示模块中所显示的曲线但不会清除所导入的数据信息。

(2)功率谱密度数据处理模块

根据总体的要求，对所需要进行功率谱密度数据处理的的数据文件进行导入以及时域曲线绘制和选取后，功率谱密度数据处理模块可以对XYZ轴三个轴向上的数据进行功率谱密度曲线绘制，以及曲线均方根值与最值信息获取。即当使用X轴功率谱密度曲线绘制模块时，系统会自适应的对当前时域曲线显示模块中显示的曲线进行功率谱密度分析并生成可视化功率谱密度曲线同时显示在频域曲线显示模块中。其余轴向以此类推。值得一提的是，当频域曲线显示模块显示对应功率谱密度曲线时，系统会自动弹出含有相同曲线内容的曲线编辑对话框方便对曲线进行单独的图例添加、命名、编辑坐标轴等针对性操作，方便其未来的报告整理与应用。更多的是，由于实际工程报告的需要，可能会需要对生成的功率谱密度曲线进行三个轴方向曲线的汇总绘制，所以功率谱密度数据处理模块中的曲线编辑模块可以将XYZ轴三个轴向上的功率谱密度曲线进行汇总绘制，并支持曲线进行单独的图例添加、命名、编辑坐标轴等针对性操作，方便其未来的报告整理与应用。

另一方面，频域曲线显示模块自带放缩调整功能，方便观察寻找频域曲线的特定观测点。与此同时，频域曲线显示模块与坐标轴适应窗口模块的协同使用可以保证操作者在观测到期望频率段内频域曲线的完整幅值。

更多的是，在操作者选取好期望观测频域段的曲线后，频域曲线最值信息获取模块以及均方根值获取模块可以自适应的获取当前频域曲线显示模块中所显示曲线的最大值以及均方根值并以四舍五入保留小数点后两位的数字形式显示在对应列表中。功率谱密度数据处理模块中的窗口刷新模块可以清除当前在频域曲线显示模块中所显示的曲线但不会清除所导入的数据信息。

(3)冲击响应数据处理模块

根据总体的要求，首先对所需要进行冲击响应数据处理的的数据文件进行导入以及时域曲线绘制和选取。然后在冲击响应数据处理模块中的参数设置模块按照要求设置好其实频率、阻尼系数、截止频率以及倍频程变量系数。最后冲击响应谱曲线绘制模块可以对XYZ轴三个轴向上的数据进行冲击响应谱曲线绘制，以及曲线最值信息获取。即当使用X轴冲击响应谱曲线绘制模块时，系统会自适应的对当前时域曲线显示模块中显示的曲线进行冲击响应分析并生成可视化冲击响应谱曲线同时显示在频域曲线显示模块中。其余轴向以此类推。值得一提的是，当频域曲线显示模块显示对应冲击响应谱曲线时，系统会自动弹出含有相同曲线内容的曲线编辑对话框方便对曲线进行单独的图例添加、命名、编辑坐标轴等针对性操作，方便其未来的报告整理与应用。

更多的是，在操作者选取好期望观测频域段的曲线后，频域曲线最值信息获取模块可以自适应的获取当前频域曲线显示模块中所显示曲线的最大值并以四舍五入保留小数点后两位的数字形式显示在对应列表中。冲击响应数据处理模块中的窗口刷新模块可以清除当前在频域曲线显示模块中所显示的曲线但不会清除所导入的数据信息。

由于现场条件的非确定性，在一些系统监测主机中无法保证软件安装的广泛性，而使用matlab gui进行设计后的软件可以进行自定义封装并在没有安装matlab的计算机上使用，增加了软件的通用性。

参考附图2，数据分析处理方法包括以下步骤：