自動駕駛儀動態(tài)測試系統(tǒng)設(shè)計

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。