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作者:
張 旭東 -
管 繼富 -
顧 亮 -
1. 系統平臺概述
本主動懸架系統測控平臺硬件部分是基PXI系統搭建的。PXI（PCI eXtensions for Instrumentation，面向儀器系統的PCI擴展）技術于1997年完成開發，并在 1998 年正式推出，它是為了滿足日益增加的對復雜儀器系統的需求而推出的一種開放式工業標準。
PXI是一種堅固的基于 PC 的測量和自動化平臺。PXI結合了 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的高性能、低成本運載平臺。這些系統可用于諸如制造測試、軍事和航空、機器測控、汽車生產及工業測試等各種領域中。
2. 測控系統平臺硬件構架及特點
硬件上主要由六部分組成：上位機、信號預處理模塊、傳感器、液壓試驗臺、主動懸架系統，PXI機箱及信號采集輸出板卡。上位機用于測控仿真過程，分析和保存仿真結果，同時用于運行算法模型，輸出控制信號對執行器進行相關控制；信號預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據；液壓試驗臺為主動懸架提供激勵源，模擬實際道路工況；主動懸架系統相當于控制算法的執行機構，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閥等部件；上述各環節有機結合一個完整閉環系統，測控平臺結構框架下圖所示：
圖1測控平臺結構框架
上位機、控制器兩者通過網線連接，上位機對仿真過程的測控通過共享變量來實現。
該監測系統可對試驗涉及的各個設備進行集中配置，對所有設備的開停和調節，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各個數據采集點上的溫度、壓力、加速度和動行程等數據，并進行有關測量分析，依此判斷懸架系統性能及減振效果，并隨時可以進行人工干預。
上位機是整個測控系統的核心，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等開發的應用軟件就構成了虛擬儀器測控平臺，實現了全數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、重復性好、操作方便、性價比高等優點。
在油氣懸架及減振器缸內安裝有溫度傳感器及壓力傳感器，在非簧載質量軸頭及簧載質量上安裝有加速度傳感器，在非簧載質量與簧載質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理模塊消除偏置，傳至PXI板卡的模擬信號接口，經模數轉換后，傳至上位機。
主動懸架測控系統臺架試驗硬件部分連接關系如下圖所示：
圖2 主動懸架測控系連接關系
該主動懸架臺架試驗測控系統輸出的控制信號分為3路PWM信號及1路開關信號兩種。PWM信號用以：1）驅動電機，帶動液壓泵，為整個主動懸架系統提供動力源；2）調節比例減壓溢流閥開度，以實現對液壓管路內壓力值的控制；3）調節阻尼閥開度，實現對阻尼比的調節，達到調節阻尼力的目的。1路開關信號用以調節二位二通閥的通斷，實現對主動懸架的開停功能。由PXI板卡輸出的控制信號，首先經過信號預處理模塊增加信號的驅動能力，再連接至被控部件。
圖3 主動懸架測控系統臺架試驗硬件部分連接關系
3. 測控系統平臺軟件設計及應用方法
該上位機監測程序可以實現對臺架試驗數據的采集、記錄、分析、運算等各項功能，并可將記錄數據、分析結果及圖表生成試驗報告。試驗系統的調試、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/設置 |
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a.采樣率設置，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.濾波設置，包括拓撲結構，濾波類型，地截止頻率，高截止頻率，階數，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.將保存的數據重新導入示波器，進行回放
b.對保存的數據進行時域回放的同時，進行濾波，和FFT功率譜計算
c.濾波設置包括：拓撲結構，濾波類型，低截止頻率，高截止頻率，階數，IIR/FIR
d.功率譜計算設置包括：加窗選擇，dB開關，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整示波器X，Y軸量程
d.示波器提供兩個游標，可讀取示波器上任意點的坐標
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軟件部分基于LabVIEW虛擬儀器開發環境編寫，可以實現多路信號采集、測量、分析，控制信號輸出，測試數據保存、讀取等功能，能完全應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 上位機監測程序操作主界面
操作界面以選項卡的形式，將該系統分為波形瀏覽/設置、波形測量、FFT頻譜、波形回放和幅頻特性分析五大功能，此外，系統還可根據操作者實際使用需求，調節波形圖X，Y軸坐標量程，實時截取波形圖當前波形并保存為.dmp文件，編輯實驗名稱，實驗人員及文件名等輔助功能。系統啟動前，應首先對采樣率進行設置，系統運行后，便可根據實際需要進行相應操作，實現對采集數據的瀏覽、測量、分析、記錄。系統的操作主界面如下圖所示。
3. 2 數據采集、分析功能
測控系統對主動懸架控制算法所需的參數進行統一測量與分析，按照圖1.3所示的連接關系，將溫度、壓力、加速度、位移等傳感器測得信號經信號調理后的0~5V標準信號傳給PXI系統，并顯示在測控界面上。
測控平臺對所測得的數據提供多種測量分析及數據處理選項：
A. 濾波設置
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的濾波設置，包含貝塞爾、Butterworth、Chebyshev、反Chebyshev、橢圓等5種濾波的拓撲結構，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、IIR/FIR選擇進行相應設置。
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任意一路傳感器信號進行測量，測試界面劑內容如下圖所示。
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
試驗系統需要同時對7路數據進行采集，在進行算法調試的時候，往往試驗周期很長，會根據需要對某一算法或產品進行多次試驗。因此，在試驗程序中設計了試驗原始數據保存及回放功能。這一功能為試驗數據的保存提供了方便、簡單的操作，同時也盡可能避免因人為因素造成試驗參數設定不統一，或者試驗數據的遺漏，保證了重復試驗的一致性。
試驗測得的數據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，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。試驗數據文件的文件名和保存路徑，都可以有試驗操作人員根據個人習慣來自定義編輯。
試驗數據回放界面如下圖所示。為方便試驗人員對以往試驗數據分析對比，測控系統提供了數據回放功能，可將測得的原始數據導入系統，得到該數據對應的時域信號，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。波形數據回放界面如下圖所示。
圖9上位機程序波形數據回放界面
3. 4 測控系統平臺應用方法
- ） 系統初始化：當進入測試系統后，第一步就是進行系統的初始化，主要對傳感器標定模塊、信號采集模塊、控制信號輸出模塊、測控系統監測模塊、控制算法導入模塊進行初始化，對出現的異常情況進行報錯，為測控系統的運行做必要的準備工作。
- ） 設置相應測試參數及測試信息：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定，得出新的標定值。標定的方法是在有效測試范圍內，測5個或更多的點，并輸入相應的參數值，計算機根據輸入的值，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的文件中。
- ） 將控制算法導入主動懸架臺架試驗測控系統，建立算法參數與硬件接口間的對應關系：首先將控制算法文件編譯為動態鏈接庫文件，然后將所編譯的動態鏈接庫文件導入測控系統，在系統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的映射關系。
- ） 運行主動懸架臺架試驗測控系統：直至完成設定試驗內容，系統停止工作，出發試驗過程中出現系統異常造成的系統自動停機或人為急停。
- ） 對測量數據進行實時采集處理和分析：本系統包含對信號濾波拓撲結構，濾波類型，低截止頻率，高截止頻率，階數，IIR/FIR等濾波功能設置，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，可計算車輛簧載質量加速度幅頻特性、動行程幅頻特性。
- ） 對測量數據進行實時存儲：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，也可將數據儲存在數據庫中，便于日后分析或處理。
- ） 對測量數據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。通過多次試驗結果的對比顯示，可以方便的知道各個控制算法的優劣，為選擇合適的控制算法提供依據。
- ） 試驗完成后，可按照不同報表格式進行試驗結果打印，綜合評價控制算法的控制效果。
4. 結論
本文所述設計方案提供的測試系統不僅能滿足主動懸架系統的測試要求，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、重復性好，且較國外同等功能設備，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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