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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。
PXI是一種堅固的基于 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 的堅固性、模塊化及Eurocard機械封裝的特性，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、低成本運載平臺。這些系統(tǒng)可用于諸如制造測試、軍事和航空、機器測控、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
硬件上主要由六部分組成：上位機、信號預(yù)處理模塊、傳感器、液壓試驗臺、主動懸架系統(tǒng)，PXI機箱及信號采集輸出板卡。上位機用于測控仿真過程，分析和保存仿真結(jié)果，同時用于運行算法模型，輸出控制信號對執(zhí)行器進行相關(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)；液壓試驗臺為主動懸架提供激勵源，模擬實際道路工況；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、控制器兩者通過網(wǎng)線連接，上位機對仿真過程的測控通過共享變量來實現(xiàn)。
該監(jiān)測系統(tǒng)可對試驗涉及的各個設(shè)備進行集中配置，對所有設(shè)備的開停和調(diào)節(jié)，都可以在上位機上完成，使得試驗人員操作輕松便捷，減輕了試驗的勞動強度，提高了試驗的效率。試驗人員通過計算機顯示屏，可以實時了解車輛懸架系統(tǒng)各個數(shù)據(jù)采集點上的溫度、壓力、加速度和動行程等數(shù)據(jù)，并進行有關(guān)測量分析，依此判斷懸架系統(tǒng)性能及減振效果，并隨時可以進行人工干預(yù)。
上位機是整個測控系統(tǒng)的核心，具有良好的人機交互界面，同時它也是測控軟件的載體。NI的PXI機箱、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、擴展性強、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。
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。
主動懸架測控系統(tǒng)臺架試驗硬件部分連接關(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，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，實現(xiàn)對阻尼比的調(diào)節(jié)，達到調(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)臺架試驗硬件部分連接關(guān)系
3. 測控系統(tǒng)平臺軟件設(shè)計及應(yīng)用方法
該上位機監(jiān)測程序可以實現(xiàn)對臺架試驗數(shù)據(jù)的采集、記錄、分析、運算等各項功能，并可將記錄數(shù)據(jù)、分析結(jié)果及圖表生成試驗報告。試驗系統(tǒng)的調(diào)試、測控均以達到自動化，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 |
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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，包括拓撲結(jié)構(gòu)，濾波類型，地截止頻率，高截止頻率，階數(shù)，IIR/FIR選擇
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| 2.波形測量 |
| 對任意一路輸入信號進行測量，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 |
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a.將保存的數(shù)據(jù)重新導(dǎo)入示波器，進行回放
b.對保存的數(shù)據(jù)進行時域回放的同時，進行濾波，和FFT功率譜計算
c.濾波設(shè)置包括：拓撲結(jié)構(gòu)，濾波類型，低截止頻率，高截止頻率，階數(shù)，IIR/FIR
d.功率譜計算設(shè)置包括：加窗選擇，dB開關(guān)，信號頻率峰值估計
e.可以對兩路信號進行回放，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 |
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a.對示波器上所顯示信號進行保存，包括時域信號和頻域信號
b.對示波器上的波形進行即時保存，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的坐標(biāo)
e.對示波器界面進行局部放大和拖拽
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3.1 操作界面
該臺架試驗測控系統(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的要求，該操作界面與實驗室常用示波器類似，易于上手。
圖4 上位機監(jiān)測程序操作主界面
操作界面以選項卡的形式，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)操作者實際使用需求，調(diào)節(jié)波形圖X，Y軸坐標(biāo)量程，實時截取波形圖當(dāng)前波形并保存為.dmp文件，編輯實驗名稱，實驗人員及文件名等輔助功能。系統(tǒng)啟動前，應(yīng)首先對采樣率進行設(shè)置，系統(tǒng)運行后，便可根據(jù)實際需要進行相應(yīng)操作，實現(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：
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種濾波的拓撲結(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選擇進行相應(yīng)設(shè)置。
圖5 上位機程序濾波選項
B. 波形測量
測控平臺可對臺架試驗系統(tǒng)任意一路傳感器信號進行測量，測試界面劑內(nèi)容如下圖所示。
圖6 上位機程序波形測量選項
C. FFT頻譜
測控平臺可對加速度及動行程信號進行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 上位機程序FFT頻譜選項
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 上位機程序幅頻特性測量選項
3.3 波形記錄、回放功能
試驗系統(tǒng)需要同時對7路數(shù)據(jù)進行采集，在進行算法調(diào)試的時候，往往試驗周期很長，會根據(jù)需要對某一算法或產(chǎn)品進行多次試驗。因此，在試驗程序中設(shè)計了試驗原始數(shù)據(jù)保存及回放功能。這一功能為試驗數(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參數(shù)設(shè)定不統(tǒng)一，或者試驗數(shù)據(jù)的遺漏，保證了重復(fù)試驗的一致性。
試驗測得的數(shù)據(jù)和試驗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，實驗操作者姓名，試驗日期等，都將在文件中予以保存。試驗數(shù)據(jù)文件的文件名和保存路徑，都可以有試驗操作人員根據(jù)個人習(xí)慣來自定義編輯。
試驗數(shù)據(jù)回放界面如下圖所示。為方便試驗人員對以往試驗數(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)進入測試系統(tǒng)后，第一步就是進行系統(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)入模塊進行初始化，對出現(xiàn)的異常情況進行報錯，為測控系統(tǒng)的運行做必要的準備工作。
- ） 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，并輸入相應(yīng)的參數(shù)值，計算機根據(jù)輸入的值，利用線性回歸的方法進行計算，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。
- ） 運行主動懸架臺架試驗測控系統(tǒng)：直至完成設(shè)定試驗內(nèi)容，系統(tǒng)停止工作，出發(fā)試驗過程中出現(xiàn)系統(tǒng)異常造成的系統(tǒng)自動停機或人為急停。
- ） 對測量數(shù)據(jù)進行實時采集處理和分析：本系統(tǒng)包含對信號濾波拓撲結(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，下降時間進行運算，并可計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)進行實時存儲：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)進行實時顯示及回放：主要是將采集的信號在時域和頻域上進行實時顯示；也可對保存的.tdms文件從新讀取，并顯示在上位機終端上。通過多次試驗結(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)。
- ） 試驗完成后，可按照不同報表格式進行試驗結(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，可擴展性強。
作者信息:
張 旭東
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