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      自動駕駛儀動態(tài)測試系統(tǒng)設(shè)計

      2019-10-29 08:55:42鵬1張麗君
      計算機(jī)測量與控制 2019年10期
      關(guān)鍵詞:駕駛儀臺式儀器

      鄭 鵬1,張麗君,張 騰

      (1.中國人民解放軍61497部隊,北京 100091; 2.北京航天測控技術(shù)有限公司,北京 100041)

      0 引言

      自動駕駛儀[1]是導(dǎo)彈制導(dǎo)與飛行控制系統(tǒng)中的重要組成部分之一,在導(dǎo)彈飛行過程中,起著控制和穩(wěn)定導(dǎo)彈的作用,是導(dǎo)彈控制的核心,使導(dǎo)彈按照制導(dǎo)設(shè)備發(fā)來的指令準(zhǔn)確地飛向彈目遭遇點。自動駕駛儀的組成部分包括控制回路、姿態(tài)敏感器件、綜合電源、舵機(jī)等,主要實現(xiàn)對導(dǎo)彈的各個通道姿態(tài)角進(jìn)行控制和穩(wěn)定的功能。

      針對自動駕駛儀的測試系統(tǒng)[2-3]需要對上述部件進(jìn)行全面測試。駕駛儀的動態(tài)測試主要是檢查各部件工作的正確性、可靠性以及部件之間配合的協(xié)調(diào)性,檢查的重點是控制組合性能的好壞。

      本文主要討論對自動駕駛儀控制線路板上的各級運算放大器的動態(tài)測試。

      1 動態(tài)測試原理

      動態(tài)測試是通過分析被測對象對不同頻率正弦信號激勵的響應(yīng),來獲得其傳遞函數(shù)的技術(shù)。

      如圖1,正弦信號u(t)施加到傳遞函數(shù)為G(s)的系統(tǒng),系統(tǒng)輸出y(t)為與輸入信號具有相同頻率的正弦信號,但具有不同的幅度Y和相位差Φ,如圖2。

      圖1 動態(tài)測試基本原理

      圖2 輸入輸出信號變化

      輸出信號的幅度Y和相位差Φ與系統(tǒng)在頻率ω處的響應(yīng)具有如下關(guān)系:

      幅度響應(yīng):

      (1)

      相位響應(yīng):

      Φ=∠G(jω)

      (2)

      上述幅度響應(yīng)和相位響應(yīng)結(jié)果只與系統(tǒng)有關(guān),與輸入信號無關(guān)。改變輸入正弦信號的頻率ω,可得到不同頻率下系統(tǒng)的幅度響應(yīng)和相位響應(yīng),即可得到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)曲線(bode圖),如圖3所示。

      圖3 頻率響應(yīng)曲線

      這種動態(tài)測試方法的優(yōu)勢是能夠?qū)ο到y(tǒng)在不同頻率點的響應(yīng)進(jìn)行獨立分析,精度很高,適用于具有共振特性的系統(tǒng)測試。

      傳統(tǒng)臺式動態(tài)測試儀利用信號相關(guān)處理的方式,可獲得高精度的頻率響應(yīng)結(jié)果,如圖4所示。

      圖4 臺式動態(tài)測試儀原理框圖

      對輸入信號:

      u(t)=Usinωt

      (3)

      和輸出信號:

      y(t)=Ysin(ωt+Φ)

      (4)

      則正弦通道輸出R(T)為:

      (5)

      (6)

      同樣,余弦通道輸出I(T)為:

      (7)

      (8)

      可得到該系統(tǒng)的頻率響應(yīng)結(jié)果:

      幅度響應(yīng):

      (9)

      相位響應(yīng):

      (10)

      由上述分析可知,傳統(tǒng)臺式動態(tài)測試儀器具備如下功能:

      1)根據(jù)選定頻率ω,產(chǎn)生精確的sinωt和cosωt信號;

      2)信號相關(guān)運算能力;

      3)非線性運算能力,開方、反正切函數(shù)等

      上述2)和3)項均可由DSP(Digital Signal Processor,數(shù)字信號處理器)完成。

      臺式儀器中正弦和余弦信號均由內(nèi)部產(chǎn)生,因此可以獲得精確的信號周期T,同時模擬處理部分如濾波也在儀器內(nèi)部實現(xiàn),減少了噪聲的影響,整個系統(tǒng)可以獲得較高的精度。

      動態(tài)測試(又稱動態(tài)信號分析、頻響分析)是控制系統(tǒng)設(shè)計、生產(chǎn)和維護(hù)保障中的重要測試手段。傳統(tǒng)的動態(tài)測試必須使用專用的臺式動態(tài)測試儀器才能滿足高精度、信號調(diào)制等要求。隨著保障設(shè)備向自動化、集成化、通用化、虛擬化發(fā)展,傳統(tǒng)的臺式儀器及測試方法已經(jīng)無法滿足裝備維護(hù)保障的要求。

      自20世紀(jì)末以來,基于PXI總線[4]的模塊化測試儀器因其具有自動化、集成化程度高,通用性強(qiáng)等優(yōu)勢,在通用測試、保障維修、工業(yè)自動化領(lǐng)域獲得了越來越多的應(yīng)用,產(chǎn)品覆蓋了數(shù)字多用表、信號源、示波器、計數(shù)器等門類,功能和性能能夠完全替代相應(yīng)的臺式儀器。利用虛擬儀器的專用軟件處理思想,可以實現(xiàn)大部分傳統(tǒng)臺式儀器的專用功能,進(jìn)一步拓展了通用測試儀器的應(yīng)用范圍。

      本文提出利用PXI總線的通用測試儀器,結(jié)合動態(tài)信號分析算法,實現(xiàn)動態(tài)測試的方法,具有重要的應(yīng)用意義:

      1)硬件基于通用模塊化儀器,使動態(tài)測試設(shè)備能夠與通用測試系統(tǒng)集成,實現(xiàn)保障設(shè)備的集成化、小型化,提高機(jī)動性。

      2)軟件利用虛擬儀器的思想,動態(tài)測試的核心處理由軟件實現(xiàn),易于維護(hù)和升級,擴(kuò)展性強(qiáng),可隨需要的變化改變產(chǎn)品功能,增強(qiáng)保障設(shè)備適應(yīng)性。

      3)大大降低部署和維護(hù)成本,提高保障設(shè)備戰(zhàn)斗力,通用儀器硬件可互換、重用性強(qiáng),減少了備件的種類,降低了維護(hù)保養(yǎng)代價。

      2 測試方案設(shè)計

      2.1 基于通用儀器的動態(tài)測試原理分析

      利用基于PXI總線的通用信號源、示波器及計算機(jī)軟件構(gòu)建的動態(tài)測試設(shè)備[5]如圖5所示,信號源產(chǎn)生激勵信號u(t)=Usinωt進(jìn)入被測對象,y(t)=Ysin(ωt+Φ)為被測對象的輸出信號,示波器采集激勵信號和響應(yīng)信號,AD轉(zhuǎn)換后的信號成為數(shù)字信號,設(shè)采樣率為Fs,則采樣點序號n與時間t有如下關(guān)系:

      (11)

      代入式(3)、(4)則輸入輸出信號變?yōu)椋?/p>

      輸入信號:

      (12)

      輸出信號:

      (13)

      由于采樣起始點不可能剛好在整周期過零點處,因此實際輸入和輸出信號與采樣起始點都有相位差,即:

      輸入信號:

      (14)

      輸出信號:

      (15)

      而相頻響應(yīng)結(jié)果變?yōu)?

      Φ=Φ1-Φ2

      (16)

      將數(shù)字信號通過PXI總線上傳到主控計算機(jī),計算機(jī)對激勵和響應(yīng)信號的數(shù)字信號進(jìn)行軟件處理,得到動態(tài)測試結(jié)果,如圖5所示。

      圖5 基于通用儀器的動態(tài)測試原理

      該動態(tài)測試方法硬件結(jié)構(gòu)簡單,核心功能由計算機(jī)軟件算法實現(xiàn)。軟件算法的原理與傳統(tǒng)動態(tài)測試儀器的處理類似,區(qū)別在于僅針對數(shù)字信號使用數(shù)字信號處理的方法實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器中復(fù)雜模擬信號處理的功能。

      算法輸入輸出信號為式(12)、(13)所列數(shù)字信號。在通用測試系統(tǒng)中,由于集成度高、信號種類多,信號通路可能受到各種外來干擾。數(shù)字信號處理中有必要進(jìn)行數(shù)字濾波。由于濾波后的信號將產(chǎn)生相位移,為了不影響相位響應(yīng)結(jié)果,對u(n)和y(n)應(yīng)用同一濾波器進(jìn)行濾波,使其相位移相同,相位響應(yīng)結(jié)果將不受影響。

      幅度響應(yīng)結(jié)果可以直接對u(n)和y(n)進(jìn)行整周期均方根計算得到,在采樣率足夠的情況下精度可以很高。高精度相位差計算需使用相關(guān)運算處理。

      基于通用儀器的動態(tài)測試方法中信號源只產(chǎn)生激勵信號u(t),不能同時產(chǎn)生與其相差90°的cos信號,因此無法使用圖4中的方法將輸入信號與輸出信號直接進(jìn)行相關(guān)運算。在算法中,需要產(chǎn)生零相位的sin和cos信號用于相關(guān)運算,因此就需要對輸入信號的周期進(jìn)行檢測。已知輸入輸出信號u和y為同頻率,只要對y(n)進(jìn)行周期檢測即可,得到周期P用于生成sin和cos信號。周期P的含義為數(shù)字信號每周期的采樣點數(shù)。P與ω具有如下關(guān)系,其中Fs為采樣率:

      (17)

      sin和cos信號與濾波后的數(shù)字信號u(n)和y(n)分別進(jìn)行相關(guān)運算,根據(jù)式(5)和(7),對離散數(shù)字信號可得:

      (18)

      (19)

      其中:N為參與運算的信號總周期數(shù)。

      可得到u(n)的特征參數(shù)Φ1:

      相位響應(yīng):

      (20)

      同樣的可得到y(tǒng)(n)的特征參數(shù)Φ2:

      相位響應(yīng):

      (21)

      由式(16)進(jìn)一步得到u(n)和y(n)的頻響分析結(jié)果。

      動態(tài)測試方案如圖6所示。信號源輸出參考信號。在輸入調(diào)幅信號x的不同頻率下,用示波器去采集被測對象的相敏檢波輸出,同時采集被測對象的輸出信號y。將x信號和y信號均上傳至計算機(jī)。x信號和y信號進(jìn)行相關(guān)運算[6]即得到被測對象的幅頻和相頻響應(yīng)。

      圖6 動態(tài)測試方案

      2.2 方案驗證

      對信號頻率0.318 Hz,采樣率10 ksps,采樣時間20秒(約6個周期),多次相位測量結(jié)果如圖7所示。

      圖7 相位測量結(jié)果散點圖

      對信號頻率0.318 Hz,增加采樣長度后采樣率10 ksps,采樣時間200秒(約63個周期),相位測量結(jié)果如圖8所示。

      圖8 增加采樣長度下相位測量結(jié)果散點圖

      由上述實驗可知,增加采樣長度后相位測量誤差為±0.03°以內(nèi),已經(jīng)達(dá)到傳統(tǒng)臺式頻響分析儀器同等的精度水平。

      3 測試系統(tǒng)的構(gòu)成和實驗

      3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

      3.1.1 硬件構(gòu)成

      圖9 自動駕駛儀測試系統(tǒng)總體架構(gòu)

      如圖9所示,系統(tǒng)由測試控制計算機(jī)、信號源模塊、示波器模塊、矩陣開關(guān)模塊、數(shù)字萬用表模塊、功率開關(guān)模塊和供電電源組成,從而實現(xiàn)對自動駕駛儀的測試。

      測試控制計算機(jī)通過PXI儀器總線來控制和管理各個PXI模塊。通過PXI總線控制功率開關(guān)模塊,從而控制供電電源對被測對象進(jìn)行供電。數(shù)字萬用表和矩陣開關(guān)模塊用于對模擬信號的值進(jìn)行測量。信號源模塊用于輸出激勵信號,示波器模塊用于采集激勵和響應(yīng)信號。

      測試控制計算機(jī)負(fù)責(zé)對電源、各個PXI模塊以及被測對象的運行實行控制;負(fù)責(zé)對自動駕駛儀的測試流程進(jìn)行控制;另一方面,供電電源信號、信號源輸出的激勵信號和示波器采集的響應(yīng)信號、數(shù)字萬用表和矩陣開關(guān)模塊所采集的模擬信號等均通過PXI總線上傳至測試控制計算機(jī),由測試控制計算機(jī)進(jìn)行存儲和相關(guān)運算等。

      在此測試系統(tǒng)中,測試控制計算機(jī)和測試儀器通過采集自動駕駛儀的輸入輸出信號值,從而實現(xiàn)對自動駕駛儀功能的動態(tài)測試。

      3.1.2 軟件構(gòu)成

      常用的測試軟件開發(fā)平臺[7](如NI公司的LabView、CVI、TestStand,安捷倫公司的VEE等)集成了基本的測試平臺功能,包含儀器驅(qū)動配置、測試流程開發(fā)和執(zhí)行、用戶自定義測試模塊、歷史數(shù)據(jù)管理等,能夠滿足大部分通用測試設(shè)備需求,具有較高的重用性、通用性和擴(kuò)展性。

      而對于武器系統(tǒng)維修測試和保障設(shè)備而言,需要更加重視軟件的專用功能實現(xiàn)和高可靠性,還要兼顧軟件的輕量化以降低對硬件資源的需求,從而進(jìn)一步提高可靠性和裝備完整性。因此,必須選擇可靠、成熟、專業(yè)化的軟件開發(fā)平臺作為自動駕駛儀動態(tài)測試設(shè)備軟件平臺,本文選用VITE產(chǎn)品。

      VITE(虛擬儀器測試環(huán)境)軟件平臺主要針對武器裝備在研制、使用和維修過程中對人員的編程要求高、TPS的移植性差、智能化的診斷方法少等問題,突破了基于ATML的全壽命周期內(nèi)測試信息共享、TPS的圖形化開發(fā)、IVI儀器互換架構(gòu)、IEEE1641信號模型、測試信號到儀器動作的轉(zhuǎn)換、執(zhí)行界面定制等關(guān)鍵技術(shù),建立了復(fù)雜裝備全壽命周期的統(tǒng)一信息框架。

      該軟件具有測試開發(fā)快捷、數(shù)據(jù)接口規(guī)范、深度定制、專業(yè)程度高等特點,可實現(xiàn)被測對象建模、測試流程開發(fā)、系統(tǒng)執(zhí)行服務(wù)、診斷處理分析、系統(tǒng)資源管理等主要功能,已經(jīng)成功應(yīng)用于多項軍工領(lǐng)域的測試開發(fā)與診斷任務(wù)。

      3.2 實驗結(jié)果

      自動駕駛儀單通道動態(tài)擾動下的回路傳遞特性測試結(jié)果。

      表1 單通道動態(tài)擾動下的回路傳遞特性測試結(jié)果

      該型自動駕駛儀側(cè)向穩(wěn)定回路傳遞特性理論值和實測值如圖10所示。

      圖10 單通道動態(tài)擾動下的回路傳遞特性測試結(jié)果

      由上述測試結(jié)果可見,本文所述的自動駕駛儀動態(tài)測試系統(tǒng)對自動駕駛儀測試精度較高,能夠滿足性能測試要求。

      4 誤差分析與噪聲抑制

      4.1 理想化計算誤差

      2.1節(jié)中的推導(dǎo)建立在理想情況下,實際應(yīng)用中存在誤差,最主要的來源是周期P檢測誤差,進(jìn)而導(dǎo)致sin和cos信號頻率誤差。設(shè)實際檢測周期為P1,相應(yīng)的sin信號頻率為ω1:

      (22)

      顯然P1為整數(shù),而理想周期P應(yīng)滿足式(17),不一定為整數(shù),注意即便理想周期P為整數(shù),實際檢測到的周期P1往往也不會剛好與P相等,檢測誤差必定存在。令:

      (23)

      相應(yīng)的式(18)應(yīng)為:

      (24)

      可見Ru的計算有兩方面的誤差,一是ω1計算不準(zhǔn)的誤差,二是求和區(qū)間NP1不等于整周期帶來的誤差。對于前者,由于采用過零法檢測信號周期,對其影響最大的是信號噪聲,應(yīng)通過低通濾波器消除其影響。

      對于求和區(qū)間的誤差,通過提高采樣率,提高周期P1,可將相對誤差降低,但需要同時考慮計算量不能太大,本方法中的P1應(yīng)不小于5 000(點/周期)。

      4.2 信號噪聲引起的誤差

      信號噪聲除了對上述周期檢測引入誤差外,對相關(guān)運算本身也將產(chǎn)生誤差。為滿足P1不小于5 000(點/周期),采樣率Fs遠(yuǎn)大于有用信號頻率,因此也不可避免的引入了噪聲。經(jīng)過對相位結(jié)果進(jìn)行大量測試后統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),相位誤差為隨機(jī)誤差,服從正態(tài)分布。

      這里以輸入信號u(n)為例,y(n)的推導(dǎo)結(jié)果類似。設(shè)實際輸入信號為:

      (25)

      其中:E(n)是有一定幅度的白噪聲,帶寬受限于采樣率Fs。則Ru為(這里不考慮周期誤差):

      (26)

      又:

      (27)

      則噪聲影響:

      (28)

      上式為兩個序列的互相關(guān)函數(shù),在運算周期NP無窮大時,噪聲項的期望為0。然而實際應(yīng)用中,NP受限于采樣長度不會太大,上述噪聲誤差將存在。但增大NP將會降低噪聲的影響。

      對于隨機(jī)誤差,可通過增加樣本求平均的方法減小誤差。在本系統(tǒng)中就是增加采樣長度。

      5 結(jié)論

      基于通用儀器的動態(tài)測試方法適應(yīng)了未來保障設(shè)備向自動化、集成化、通用化、虛擬化發(fā)展的要求,具有極高的應(yīng)用價值。本文從動態(tài)測試方法的原理、關(guān)鍵技術(shù)、誤差消除等方面介紹了基于通用儀器的動態(tài)測試方法的使用,并搭建了自動駕駛儀的動態(tài)測試系統(tǒng),最后給出了實際測試結(jié)果。實際測試說明本文所述的方法精度與傳統(tǒng)臺式儀器相當(dāng),能夠滿足裝備動態(tài)測試的要求。

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