作者:
張 旭東 -
管 繼富 -
顧 亮 -
1. 系統(tǒng)平臺概述
本主動懸架系統(tǒng)測控平臺硬件部分是基PXI系統(tǒng)搭建的。PXI(PCI eXtensions for Instrumentation,面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展)技術(shù)于1997年完成開發(fā),并在 1998 年正式推出,它是為了滿足日益增加的對復(fù)雜儀器系統(tǒng)的需求而推出的一種開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
PXI是一種堅(jiān)固的基于 PC 的測量和自動化平臺。PXI結(jié)合了 PCI 的電氣總線特性與 CompactPCI 的堅(jiān)固性、模塊化及Eurocard機(jī)械封裝的特性,并增加了專門的同步總線和主要軟件特性。這使它成為測量和自動化系統(tǒng)的高性能、低成本運(yùn)載平臺。這些系統(tǒng)可用于諸如制造測試、軍事和航空、機(jī)器測控、汽車生產(chǎn)及工業(yè)測試等各種領(lǐng)域中。
2. 測控系統(tǒng)平臺硬件構(gòu)架及特點(diǎn)
硬件上主要由六部分組成:上位機(jī)、信號預(yù)處理模塊、傳感器、液壓試驗(yàn)臺、主動懸架系統(tǒng),PXI機(jī)箱及信號采集輸出板卡。上位機(jī)用于測控仿真過程,分析和保存仿真結(jié)果,同時用于運(yùn)行算法模型,輸出控制信號對執(zhí)行器進(jìn)行相關(guān)控制;信號預(yù)處理模塊用于為傳感器提供恒流源,消除電壓偏置,增加控制信號驅(qū)動能力;傳感器包括壓力傳感器,位移傳感器,加速度傳感器,溫度傳感器,用以獲取控制算法所需數(shù)據(jù);液壓試驗(yàn)臺為主動懸架提供激勵源,模擬實(shí)際道路工況;主動懸架系統(tǒng)相當(dāng)于控制算法的執(zhí)行機(jī)構(gòu),包括減振器、油氣懸架、液壓泵及控制液壓管路通斷的各個比例閥和開關(guān)閥等部件;上述各環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合一個完整閉環(huán)系統(tǒng),測控平臺結(jié)構(gòu)框架下圖所示:

圖1測控平臺結(jié)構(gòu)框架
上位機(jī)、控制器兩者通過網(wǎng)線連接,上位機(jī)對仿真過程的測控通過共享變量來實(shí)現(xiàn)。
該監(jiān)測系統(tǒng)可對試驗(yàn)涉及的各個設(shè)備進(jìn)行集中配置,對所有設(shè)備的開停和調(diào)節(jié),都可以在上位機(jī)上完成,使得試驗(yàn)人員操作輕松便捷,減輕了試驗(yàn)的勞動強(qiáng)度,提高了試驗(yàn)的效率。試驗(yàn)人員通過計(jì)算機(jī)顯示屏,可以實(shí)時了解車輛懸架系統(tǒng)各個數(shù)據(jù)采集點(diǎn)上的溫度、壓力、加速度和動行程等數(shù)據(jù),并進(jìn)行有關(guān)測量分析,依此判斷懸架系統(tǒng)性能及減振效果,并隨時可以進(jìn)行人工干預(yù)。
上位機(jī)是整個測控系統(tǒng)的核心,具有良好的人機(jī)交互界面,同時它也是測控軟件的載體。NI的PXI機(jī)箱、控制器配合基于LabVIEW等開發(fā)的應(yīng)用軟件就構(gòu)成了虛擬儀器測控平臺,實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化采集測試分析功能,具有軟硬件資源豐富、擴(kuò)展性強(qiáng)、測試過程自動化、測試精度高、重復(fù)性好、操作方便、性價比高等優(yōu)點(diǎn)。
在油氣懸架及減振器缸內(nèi)安裝有溫度傳感器及壓力傳感器,在非簧載質(zhì)量軸頭及簧載質(zhì)量上安裝有加速度傳感器,在非簧載質(zhì)量與簧載質(zhì)量間安裝有拉線式位移傳感器。傳感器采集的信號通過信號調(diào)理模塊消除偏置,傳至PXI板卡的模擬信號接口,經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后,傳至上位機(jī)。
主動懸架測控系統(tǒng)臺架試驗(yàn)硬件部分連接關(guān)系如下圖所示:

圖2 主動懸架測控系連接關(guān)系
該主動懸架臺架試驗(yàn)測控系統(tǒng)輸出的控制信號分為3路PWM信號及1路開關(guān)信號兩種。PWM信號用以:1)驅(qū)動電機(jī),帶動液壓泵,為整個主動懸架系統(tǒng)提供動力源;2)調(diào)節(jié)比例減壓溢流閥開度,以實(shí)現(xiàn)對液壓管路內(nèi)壓力值的控制;3)調(diào)節(jié)阻尼閥開度,實(shí)現(xiàn)對阻尼比的調(diào)節(jié),達(dá)到調(diào)節(jié)阻尼力的目的。1路開關(guān)信號用以調(diào)節(jié)二位二通閥的通斷,實(shí)現(xiàn)對主動懸架的開停功能。由PXI板卡輸出的控制信號,首先經(jīng)過信號預(yù)處理模塊增加信號的驅(qū)動能力,再連接至被控部件。

圖3 主動懸架測控系統(tǒng)臺架試驗(yàn)硬件部分連接關(guān)系
3. 測控系統(tǒng)平臺軟件設(shè)計(jì)及應(yīng)用方法
該上位機(jī)監(jiān)測程序可以實(shí)現(xiàn)對臺架試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、記錄、分析、運(yùn)算等各項(xiàng)功能,并可將記錄數(shù)據(jù)、分析結(jié)果及圖表生成試驗(yàn)報告。試驗(yàn)系統(tǒng)的調(diào)試、測控均以達(dá)到自動化,具有很高可靠性,并且操作界面友好便捷,易于使用。該檢測軟件主要功能如下表所示:
表1 軟件功能表
1.波形瀏覽/設(shè)置 |
a.采樣率設(shè)置,初始值為1000
b.選擇示波器中所顯示的信號類型,包括溫度,壓力,加速度,動行程
c.濾波設(shè)置,包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),濾波類型,地截止頻率,高截止頻率,階數(shù),IIR/FIR選擇
|
2.波形測量 |
對任意一路輸入信號進(jìn)行測量,得出信號的最大值,最小值,均方根值,基波頻率,直流值,周期平均值,上升時間,下降時間 |
3.FFT頻譜 |
對任意一類輸入信號,計(jì)算其中每路信號的幅度(均方根),幅度(峰值),功率譜,功率譜密度 |
4.波形回放 |
a.將保存的數(shù)據(jù)重新導(dǎo)入示波器,進(jìn)行回放
b.對保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行時域回放的同時,進(jìn)行濾波,和FFT功率譜計(jì)算
c.濾波設(shè)置包括:拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),濾波類型,低截止頻率,高截止頻率,階數(shù),IIR/FIR
d.功率譜計(jì)算設(shè)置包括:加窗選擇,dB開關(guān),信號頻率峰值估計(jì)
e.可以對兩路信號進(jìn)行回放,再回放過程中,仍然可以選擇其他信號,但示波器最多同時顯示兩路信號
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5.幅頻特性 |
顯示加速度和動行程兩種信號的幅頻特性分析結(jié)果,分別顯示在兩個波形中 |
6.綜合功能 |
a.對示波器上所顯示信號進(jìn)行保存,包括時域信號和頻域信號
b.對示波器上的波形進(jìn)行即時保存,保存為圖片格式
c.在時域或者頻域時調(diào)整示波器X,Y軸量程
d.示波器提供兩個游標(biāo),可讀取示波器上任意點(diǎn)的坐標(biāo)
e.對示波器界面進(jìn)行局部放大和拖拽
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3.1 操作界面
該臺架試驗(yàn)測控系統(tǒng)軟件部分基于LabVIEW虛擬儀器開發(fā)環(huán)境編寫,可以實(shí)現(xiàn)多路信號采集、測量、分析,控制信號輸出,測試數(shù)據(jù)保存、讀取等功能,能完全應(yīng)對各種主動或半主動懸架臺架試驗(yàn)的要求,該操作界面與實(shí)驗(yàn)室常用示波器類似,易于上手。

圖4 上位機(jī)監(jiān)測程序操作主界面
操作界面以選項(xiàng)卡的形式,將該系統(tǒng)分為波形瀏覽/設(shè)置、波形測量、FFT頻譜、波形回放和幅頻特性分析五大功能,此外,系統(tǒng)還可根據(jù)操作者實(shí)際使用需求,調(diào)節(jié)波形圖X,Y軸坐標(biāo)量程,實(shí)時截取波形圖當(dāng)前波形并保存為.dmp文件,編輯實(shí)驗(yàn)名稱,實(shí)驗(yàn)人員及文件名等輔助功能。系統(tǒng)啟動前,應(yīng)首先對采樣率進(jìn)行設(shè)置,系統(tǒng)運(yùn)行后,便可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行相應(yīng)操作,實(shí)現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的瀏覽、測量、分析、記錄。系統(tǒng)的操作主界面如下圖所示。
3. 2 數(shù)據(jù)采集、分析功能
測控系統(tǒng)對主動懸架控制算法所需的參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一測量與分析,按照圖1.3所示的連接關(guān)系,將溫度、壓力、加速度、位移等傳感器測得信號經(jīng)信號調(diào)理后的0~5V標(biāo)準(zhǔn)信號傳給PXI系統(tǒng),并顯示在測控界面上。
測控平臺對所測得的數(shù)據(jù)提供多種測量分析及數(shù)據(jù)處理選項(xiàng):
A. 濾波設(shè)置
測控平臺提供了豐富的濾波方式,可以針對不同情況進(jìn)行相應(yīng)的濾波設(shè)置,包含貝塞爾、Butterworth、Chebyshev、反Chebyshev、橢圓等5種濾波的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),高通、低通、帶通、帶阻、平滑等5種濾波類型,并可對濾波器高低截止頻率及濾波器階數(shù)、IIR/FIR選擇進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。

圖5 上位機(jī)程序?yàn)V波選項(xiàng)
B. 波形測量
測控平臺可對臺架試驗(yàn)系統(tǒng)任意一路傳感器信號進(jìn)行測量,測試界面劑內(nèi)容如下圖所示。

圖6 上位機(jī)程序波形測量選項(xiàng)
C. FFT頻譜
測控平臺可對加速度及動行程信號進(jìn)行FFT幅值(均方根值)、FFT幅值(峰值)、功率譜及功率譜密度測量,并將測量結(jié)果以波形的形式顯示。

圖7 上位機(jī)程序FFT頻譜選項(xiàng)
D. 幅頻特性分析
測控平臺根據(jù)加速度傳感器及位移傳感器測得信號,計(jì)算得到車身加速度幅頻特性及動行程幅頻特性。

圖8 上位機(jī)程序幅頻特性測量選項(xiàng)
3.3 波形記錄、回放功能
試驗(yàn)系統(tǒng)需要同時對7路數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,在進(jìn)行算法調(diào)試的時候,往往試驗(yàn)周期很長,會根據(jù)需要對某一算法或產(chǎn)品進(jìn)行多次試驗(yàn)。因此,在試驗(yàn)程序中設(shè)計(jì)了試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)保存及回放功能。這一功能為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的保存提供了方便、簡單的操作,同時也盡可能避免因人為因素造成試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定不統(tǒng)一,或者試驗(yàn)數(shù)據(jù)的遺漏,保證了重復(fù)試驗(yàn)的一致性。
試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)和試驗(yàn)過程中其它一些信息,比如各個測量通道的名稱,總共采集的樣本數(shù),采樣間隔,實(shí)驗(yàn)操作者姓名,試驗(yàn)日期等,都將在文件中予以保存。試驗(yàn)數(shù)據(jù)文件的文件名和保存路徑,都可以有試驗(yàn)操作人員根據(jù)個人習(xí)慣來自定義編輯。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)回放界面如下圖所示。為方便試驗(yàn)人員對以往試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析對比,測控系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)回放功能,可將測得的原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng),得到該數(shù)據(jù)對應(yīng)的時域信號,加速度信號的功率譜密度,車身加速度幅頻特性圖和車身動行程幅頻特性圖。波形數(shù)據(jù)回放界面如下圖所示。

圖9上位機(jī)程序波形數(shù)據(jù)回放界面
3. 4 測控系統(tǒng)平臺應(yīng)用方法
- ) 系統(tǒng)初始化:當(dāng)進(jìn)入測試系統(tǒng)后,第一步就是進(jìn)行系統(tǒng)的初始化,主要對傳感器標(biāo)定模塊、信號采集模塊、控制信號輸出模塊、測控系統(tǒng)監(jiān)測模塊、控制算法導(dǎo)入模塊進(jìn)行初始化,對出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行報錯,為測控系統(tǒng)的運(yùn)行做必要的準(zhǔn)備工作。
- ) 設(shè)置相應(yīng)測試參數(shù)及測試信息:包括采樣信息,測試時間,測試人員,測試備注信息等。
- ) 傳感器標(biāo)定:任何傳感器在使用開始時或使用一段時間后都會有誤差。為了保證測試精度,必須對傳感器進(jìn)行標(biāo)定,得出新的標(biāo)定值。標(biāo)定的方法是在有效測試范圍內(nèi),測5個或更多的點(diǎn),并輸入相應(yīng)的參數(shù)值,計(jì)算機(jī)根據(jù)輸入的值,利用線性回歸的方法進(jìn)行計(jì)算,得到回歸方程、最大標(biāo)定值、最大電壓值、絕對誤差相對誤差等,并將這些值存入相應(yīng)的文件中。
- ) 將控制算法導(dǎo)入主動懸架臺架試驗(yàn)測控系統(tǒng),建立算法參數(shù)與硬件接口間的對應(yīng)關(guān)系:首先將控制算法文件編譯為動態(tài)鏈接庫文件,然后將所編譯的動態(tài)鏈接庫文件導(dǎo)入測控系統(tǒng),在系統(tǒng)中選擇模型與硬件的通信速率以及使用到的硬件I/O端口,建立端口與算法參數(shù)的映射關(guān)系。
- ) 運(yùn)行主動懸架臺架試驗(yàn)測控系統(tǒng):直至完成設(shè)定試驗(yàn)內(nèi)容,系統(tǒng)停止工作,出發(fā)試驗(yàn)過程中出現(xiàn)系統(tǒng)異常造成的系統(tǒng)自動停機(jī)或人為急停。
- ) 對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集處理和分析:本系統(tǒng)包含對信號濾波拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),濾波類型,低截止頻率,高截止頻率,階數(shù),IIR/FIR等濾波功能設(shè)置,對所有信號的最大值,最小值,均方根值,基波頻率,直流值,周期平均值,上升時間,下降時間進(jìn)行運(yùn)算,并可計(jì)算加速度和位移信號的幅值譜、均方根譜、功率譜及功率譜密度,可計(jì)算車輛簧載質(zhì)量加速度幅頻特性、動行程幅頻特性。
- ) 對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時存儲:主要是將采集的信號以LabVIEW特有的.tdms文件格式儲存在本地硬盤上,也可將數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)庫中,便于日后分析或處理。
- ) 對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時顯示及回放:主要是將采集的信號在時域和頻域上進(jìn)行實(shí)時顯示;也可對保存的.tdms文件從新讀取,并顯示在上位機(jī)終端上。通過多次試驗(yàn)結(jié)果的對比顯示,可以方便的知道各個控制算法的優(yōu)劣,為選擇合適的控制算法提供依據(jù)。
- ) 試驗(yàn)完成后,可按照不同報表格式進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果打印,綜合評價控制算法的控制效果。
4. 結(jié)論
本文所述設(shè)計(jì)方案提供的測試系統(tǒng)不僅能滿足主動懸架系統(tǒng)的測試要求,還可以完全兼容半主動及被動懸架的測試,測試過程自動化、精度高、重復(fù)性好,且較國外同等功能設(shè)備,價格低廉,硬件配置簡單,可擴(kuò)展性強(qiáng)。
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張 旭東
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