水轮机空化噪声测试系统设计研究

论文摘要

水轮机中的空化空蚀是影响水轮机正常工作、造成效率降低、导致故障的重要因素之一,为此有必要开发一套适用的系统,并且用该系统采集大量而全面的数据,对空化和空蚀的特征进行分析和研究。在分析空化噪声的特点及概述其基本分析方法的基础上,本文重点从空化噪声的硬件采集及其分析方法等两方面着手,研究如何设计并开发一套空化测试系统。其主要围绕三方面内容展开论述的:基于连续采样的空化噪声采集卡的设计、信号采集软件的设计和分析软件的设计。为了能完整地、不失真地采集空化噪声,本文设计开发了一块空化噪声采集卡,其基本特征如下:宽频带、高采样率、连续采样、程控增益。采集卡设计的难点是连续采样,为了解决这个问题,采用了三个关键技术:(1)基于FPGA的数字信号抽取算法——在保证信号不在有效频带范围内失真的前提下,最大限度的去除了因过采样带来的冗余频带数据,减小了PCI总线的数据传输量;(2)基于FPGA的双SRAM交替存储结构——保证了信号抽取后的数据能够连续传输至PCI总线上;(3)基于PCI总线驱动的Scatter/Gather DMA传输方式、双DMA内存缓冲区结构——提高了PCI总线的数据传输效率。为了能够通过PC机来控制采集卡并采集数据,本文设计开发了空化噪声采集软件。同时采集软件具有储存数据、管理数据的功能。在空化噪声采集系统的基础上,本文设计并开发了空化噪声分析软件。分析软件中,分析算法分为三大类:基本信号分析、联合信号分析和空化分析。为了判断空化的状态,软件实现了空化噪声等级辨识算法;为了定量评价空蚀程度,软件实现了累计损伤法空蚀失重量估计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 选题意义
• 1.2 空化与空蚀的概念
• 1.2.1 什么是空化？
• 1.2.2 什么是空蚀？
• 1.3 水轮机空化测试的方法
• 1.3.1 空化测试方法探讨
• 1.3.2 空化噪声的特点及空化噪声测试
• 1.4 国内外空化噪声的测试与分析的研究现状
• 1.4.1 国外研究现状
• 1.4.2 国内研究现状
• 1.4.3 本课题组的研究现状
• 1.5 论文研究的方法及主要内容
• 第2章 基于连续采样的空化噪声采集卡的硬件设计
• 2.1 本章引论
• 2.2 采集卡的设计参数
• 2.2.1 采集卡的技术指标
• 2.2.2 A/D 采样相关参数的选择
• 2.2.3 连续采样问题的解决方案
• 2.3 采集卡的原理图设计
• 2.3.1 采集卡原理框图
• 2.3.2 程控放大电路的设计
• 2.3.3 抗混叠滤波器电路设计
• 2.3.4 A/D 采样电路设计
• 2.3.5 PCI 接口的硬件设计
• 2.3.6 FPGA 的硬件设计
• 2.4 采集卡测量精度的控制
• 2.5 采集卡设计中的几个注意事项
• 2.5.1 COMS 电平和TTL 电平
• 2.5.2 电路级连
• 2.5.3 PCB 布线
• 2.6 本章小结
• 第3章 数字信号抽取算法原理及其FPGA 的实现
• 3.1 本章引论
• 3.2 数据抽取的基本考虑
• 3.3 数字信号抽取算法与A/D 采样的区别
• 3.4 数字滤波器设计的基本考虑
• 3.5 信号抽取算法及其优化
• 3.6 信号抽取算法的FPGA 实现
• 3.7 信号抽取算法的实现效果
• 3.8 本章小结
• 第4章 采集卡的FPGA 开发
• 4.1 本章引论
• 4.2 FPGA 开发的内部结构
• 4.3 数据传输部分的FPGA 开发
• 4.3.1 数据连续传输模块的FPGA 开发
• 4.3.2 单个数据传输模块的FPGA 开发
• 4.3.3 本地总线对数据传输的仲裁
• 4.4 程控放大模块的FPGA 开发
• 4.5 采集卡测试与外触发模块的FPGA 开发
• 4.6 本章小结
• 第5章 PCI 总线驱动的开发
• 5.1 本章引论
• 5.2 PCI9054 及其DMA 传输方式
• 5.2.1 PCI9054 的数据传输方式
• 5.2.2 DMA 传输方式
• 5.3 SCATTER/GATHER DMA 的操作
• 5.4 驱动开发平台——WINDRIVER
• 5.5 采集卡自检的实现
• 5.6 PCI 总线数据连续传输的实现
• 5.7 本章小结
• 第6章 空化噪声采集软件设计及应用
• 6.1 本章引论
• 6.2 采集软件的设计
• 6.2.1 测试流程
• 6.2.2 数据的存储管理
• 6.3 采集软件的应用
• 6.3.1 启动测试程序
• 6.3.2 数据采集
• 6.3.3 数据的浏览显示
• 6.4 本章小结
• 第7章 空化噪声分析软件设计
• 7.1 本章引论
• 7.2 MATLAB 动态链接库的调用
• 7.2.1 调用MATLAB 动态链接库的基础知识
• 7.2.2 调用MATLAB 动态链接库的例程
• 7.3 基本信号分析的设计
• 7.3.1 时域信号分析
• 7.3.2 频域分析
• 7.3.3 功率密度谱分析
• 7.3.4 相关性分析
• 7.4 空化噪声瀑布图的设计
• 7.5 空化空蚀分析的设计
• 7.5.1 叶片通道频率调制
• 7.5.2 空化噪声等级辨识
• 7.5.3 空蚀失重量估计
• 7.6 空化噪声分析的基本思路
• 7.7 本章小结
• 第8章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果