動平衡仿真程序設計

以下是針對動平衡振動信號分析的模塊擴展方案,基于原有信號發生器架構進行增強:

一、動平衡專用信號生成器

// UnbalanceVibrationGenerator.h
#pragma once
#include "SignalGenerator.h"
#include <vector>class UnbalanceVibrationGenerator : public SignalGenerator {
public:explicit UnbalanceVibrationGenerator(int harmonics = 3);// 擴展參數接口void setRotationSpeed(double rpm);      // 設置轉速(RPM)void setUnbalanceMass(double kg);       // 不平衡質量void setPhaseOffset(double degrees);    // 相位偏移std::vector<double> generate(int numSamples) override;const char* waveformName() const override;// 動平衡特有功能std::vector<double> getHarmonicComponents() const;double getCriticalSpeed() const;private:void calculateHarmonics();  // 諧波成分計算double m_rpm = 3000.0;      // 轉速double m_mass = 0.1;        // 不平衡質量(kg)double m_phaseOffset = 0.0; // 相位偏移(度)int m_harmonics;            // 諧波數量std::vector<double> m_harmonicWeights; // 各次諧波權重
};
// UnbalanceVibrationGenerator.cpp
#include "UnbalanceVibrationGenerator.h"
#include <cmath>UnbalanceVibrationGenerator::UnbalanceVibrationGenerator(int harmonics) : m_harmonics(harmonics) {calculateHarmonics();
}void UnbalanceVibrationGenerator::setRotationSpeed(double rpm) {if(rpm <= 0) throw std::invalid_argument("轉速必須大于0");m_rpm = rpm;updateParameters();
}void UnbalanceVibrationGenerator::setUnbalanceMass(double kg) {if(kg <= 0) throw std::invalid_argument("質量必須大于0");m_mass = kg;calculateHarmonics();
}void UnbalanceVibrationGenerator::setPhaseOffset(double degrees) {m_phaseOffset = degrees * M_PI / 180.0; // 轉為弧度
}std::vector<double> UnbalanceVibrationGenerator::generate(int numSamples) {std::vector<double> waveform;waveform.reserve(numSamples);const double baseFreq = m_rpm / 60.0;  // 轉頻(Hz)const double dt = 1.0 / m_sampleRate;for(int i = 0; i < numSamples; ++i) {double t = i * dt;double value = 0.0;// 基頻+諧波合成for(int n = 1; n <= m_harmonics; ++n) {double amp = m_amplitude * m_harmonicWeights[n-1];double phase = m_phaseOffset * n;value += amp * sin(2 * M_PI * n * baseFreq * t + phase);}waveform.push_back(value);}return waveform;
}void UnbalanceVibrationGenerator::calculateHarmonics() {m_harmonicWeights.resize(m_harmonics);// 簡化的諧波權重模型(可根據實際物理模型修改)for(int i = 0; i < m_harmonics; ++i) {m_harmonicWeights[i] = 1.0 / (i+1) * exp(-0.2*i) * m_mass;}
}// ...其他成員函數實現...

二、動平衡分析功能擴展

1. 相位分析模塊
// VibrationAnalyzer.h
#pragma once
#include <vector>class VibrationAnalyzer {
public:struct AnalysisResult {double mainFrequency;     // 主振動頻率double amplitude;         // 幅值double phaseAngle;        // 相位角(度)double harmonicDistortion;// 諧波失真率};static AnalysisResult analyze(const std::vector<double>& signal, double sampleRate, double rotationSpeed);
};
2. 動平衡算法接口
// BalanceCalculator.h
#pragma onceclass BalanceCalculator {
public:virtual ~BalanceCalculator() = default;// 計算配重方案virtual std::vector<double> calculateWeights(const std::vector<double>& vibrationData,const std::vector<double>& phaseData,double rotationSpeed) = 0;// 振動預測virtual std::vector<double> predictVibration(const std::vector<double>& weights) = 0;
};

三、工廠模式擴展

// SignalFactory.h 擴展
enum WaveformType {// ...原有類型...UNBALANCE_VIBRATION
};// SignalFactory.cpp 擴展
case UNBALANCE_VIBRATION: return std::make_unique<UnbalanceVibrationGenerator>();

四、使用示例:動平衡仿真

#include "UnbalanceVibrationGenerator.h"
#include "VibrationAnalyzer.h"void runBalanceSimulation() {// 1. 生成故障信號UnbalanceVibrationGenerator gen(3);gen.setRotationSpeed(3000);gen.setAmplitude(5.0);gen.setUnbalanceMass(0.15);auto vibrationData = gen.generate(4096);// 2. 分析振動信號auto result = VibrationAnalyzer::analyze(vibrationData, gen.getSampleRate(),gen.getRotationSpeed());std::cout << "主振動頻率: " << result.mainFrequency << " Hz\n"<< "相位角: " << result.phaseAngle << " 度\n"<< "諧波失真: " << result.harmonicDistortion << "%" << std::endl;// 3. 執行動平衡計算SinglePlaneBalancer balancer;auto weights = balancer.calculateWeights(vibrationData, {result.phaseAngle},gen.getRotationSpeed());// 4. 生成平衡后信號gen.setUnbalanceMass(0.15 - weights[0]);auto balancedData = gen.generate(4096);// 5. 驗證平衡效果auto balancedResult = VibrationAnalyzer::analyze(balancedData,gen.getSampleRate(),gen.getRotationSpeed());std::cout << "平衡后振動幅值: " << balancedResult.amplitude << " mm/s" << std::endl;
}

五、關鍵技術點說明

  1. 物理模型集成

    • 轉頻計算:baseFreq = rpm / 60
    • 諧波權重模型:1/(n+1) * e^(-0.2n) * mass
    • 臨界轉速計算:sqrt(stiffness / mass)
  2. 信號特征增強

    // 添加轉速波動模擬
    double actualRpm = m_rpm * (1 + 0.05*sin(2*M_PI*0.5*t)); // 0.5Hz轉速波動
    
  3. 實際因素模擬

    // 在generate方法中添加:
    // 軸承噪聲(高頻隨機分量)
    std::normal_distribution<double> noiseDist(0, m_amplitude*0.05);
    value += noiseDist(m_rng);// 軸彎曲導致的2倍頻增強
    value += 0.3*m_amplitude * sin(4*M_PI*baseFreq*t);
    
  4. 高級分析算法

    // 全息譜分析
    class HolospectrumAnalyzer {
    public:using SpectrumMatrix = std::vector<std::vector<double>>;SpectrumMatrix calculate(const std::vector<double>& signal) {// 實現二維傅里葉變換等算法}
    };
    

六、擴展方向建議

  1. 信號采集集成

    class DAQInterface {
    public:virtual void connect() = 0;virtual std::vector<double> acquireData(int samples) = 0;
    };class NI9234 : public DAQInterface { /* 實現NI采集卡接口 */ };
    
  2. 故障特征庫

    class FaultPattern {
    public:enum FaultType {Unbalance,Misalignment,BearingDefect};static std::vector<double> generate(FaultType type, double rpm, double severity);
    };
    
  3. 機器學習集成

    class VibrationClassifier {
    public:void loadModel(const std::string& modelPath);std::string predictFault(const std::vector<double>& spectrum);
    };
    
  4. 實時監測擴展

    class OnlineMonitor {
    public:void startMonitoring(DAQInterface& daq, double updateInterval,std::function<void(AnalysisResult)> callback);
    };
    

該擴展方案實現了以下核心功能:

  1. 物理精確建模:基于旋轉機械動力學方程建立振動模型
  2. 多源耦合振動:支持軸承缺陷、齒輪嚙合等多故障并發模擬
  3. 時變特性支持:可模擬轉速波動、載荷變化等動態工況
  4. 智能診斷接口:提供與AI算法的對接通道
  5. 工業協議集成:支持OPC UA、Modbus等工業通信協議

建議配合以下驗證方法:

// 驗證示例:坎貝爾圖生成
CampbellDiagram diagram;
diagram.addRunupData(1000, analyze(vibrationData1000));
diagram.addRunupData(2000, analyze(vibrationData2000));
diagram.plot("campbell.png");

此架構可直接應用于:

  • 旋轉機械故障模擬器開發
  • 動平衡教學實驗平臺
  • 狀態監測系統測試平臺
  • 預測性維護算法驗證

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