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作者:
張 旭東 -
管 繼富 -
顧 亮 -
1. 係統平台概述
本主動懸架係統測控平台硬件部分是基PXI係統搭建的。PXI（PCI eXtensions for Instrumentation，麵向儀器係統的PCI擴展）技術於1997年完成開發，並在 1998 年正式推出，它是為了滿足日益增加的對複雜儀器係統的需求而推出的一種開放式工業標準。
PXI是一種堅固的基於 PC 的測量和自動化平台。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，並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係統的高性能、低成本運載平台。這些係統可用於諸如製造測試、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. 測控係統平台硬件構架及特點
硬件上主要由六部分組成：上位機、信號預處理模塊、傳感器、液壓試驗台、主動懸架係統，PXI機(ji)箱(xiang)及(ji)信(xin)號(hao)采(cai)集(ji)輸(shu)出(chu)板(ban)卡(ka)。上(shang)位(wei)機(ji)用(yong)於(yu)測(ce)控(kong)仿(fang)真(zhen)過(guo)程(cheng)，分(fen)析(xi)和(he)保(bao)存(cun)仿(fang)真(zhen)結(jie)果(guo)，同(tong)時(shi)用(yong)於(yu)運(yun)行(xing)算(suan)法(fa)模(mo)型(xing)，輸(shu)出(chu)控(kong)製(zhi)信(xin)號(hao)對(dui)執(zhi)行(xing)器(qi)進(jin)行(xing)相(xiang)關(guan)控(kong)製(zhi)；信號預處理模塊用於為傳感器提供恒流源，消除電壓偏置，增加控製信號驅動能力；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，用以獲取控製算法所需數據；液壓試驗台為主動懸架提供激勵源，模擬實際道路工況；主動懸架係統相當於控製算法的執行機構，包括減振器、油氣懸架、液壓泵及控製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係統，測控平台結構框架下圖所示：
圖1測控平台結構框架
上位機、控製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。
gaijiancexitongkeduishiyanshejidegegeshebeijinxingjizhongpeizhi，duisuoyoushebeidekaitinghetiaojie，doukeyizaishangweijishangwancheng，shideshiyanrenyuancaozuoqingsongbianjie，jianqingleshiyandelaodongqiangdu，tigaoleshiyandexiaolv。shiyanrenyuantongguojisuanjixianshiping，keyishishilejiecheliangxuanjiaxitonggegeshujucaijidianshangdewendu、壓力、加速度和動行程等數據，並進行有關測量分析，依此判斷懸架係統性能及減振效果，並隨時可以進行人工幹預。
上位機是整個測控係統的核心，具有良好的人機交互界麵，同時它也是測控軟件的載體。NI的PXI機箱、控製器配合基於LabVIEW等開發的應用軟件就構成了虛擬儀器測控平台，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、重複性好、操作方便、性價比高等優點。
在(zai)油(you)氣(qi)懸(xuan)架(jia)及(ji)減(jian)振(zhen)器(qi)缸(gang)內(nei)安(an)裝(zhuang)有(you)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)及(ji)壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)，在(zai)非(fei)簧(huang)載(zai)質(zhi)量(liang)軸(zhou)頭(tou)及(ji)簧(huang)載(zai)質(zhi)量(liang)上(shang)安(an)裝(zhuang)有(you)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)，在(zai)非(fei)簧(huang)載(zai)質(zhi)量(liang)與(yu)簧(huang)載(zai)質(zhi)量(liang)間(jian)安(an)裝(zhuang)有(you)拉(la)線(xian)式(shi)位(wei)移(yi)傳(chuan)感(gan)器(qi)。傳(chuan)感(gan)器(qi)采(cai)集(ji)的(de)信(xin)號(hao)通(tong)過(guo)信(xin)號(hao)調(tiao)理(li)模(mo)塊(kuai)消(xiao)除(chu)偏(pian)置(zhi)，傳(chuan)至(zhi)PXI板卡的模擬信號接口，經模數轉換後，傳至上位機。
主動懸架測控係統台架試驗硬件部分連接關係如下圖所示：
圖2 主動懸架測控係連接關係
該主動懸架台架試驗測控係統輸出的控製信號分為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，為整個主動懸架係統提供動力源；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製；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板卡輸出的控製信號，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 主動懸架測控係統台架試驗硬件部分連接關係
3. 測控係統平台軟件設計及應用方法
該上位機監測程序可以實現對台架試驗數據的采集、記錄、分析、運算等各項功能，並可將記錄數據、分析結果及圖表生成試驗報告。試驗係統的調試、測控均以達到自動化，具有很高可靠性，並且操作界麵友好便捷，易於使用。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.示波器提供兩個遊標，可讀取示波器上任意點的坐標
e.對示波器界麵進行局部放大和拖拽
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3.1 操作界麵
該台架試驗測控係統軟件部分基於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，控製信號輸出，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台架試驗的要求，該操作界麵與實驗室常用示波器類似，易於上手。
圖4 上位機監測程序操作主界麵
操作界麵以選項卡的形式，將該係統分為波形瀏覽/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，係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並保存為.dmp文wen件jian，編bian輯ji實shi驗yan名ming稱cheng，實shi驗yan人ren員yuan及ji文wen件jian名ming等deng輔fu助zhu功gong能neng。係xi統tong啟qi動dong前qian，應ying首shou先xian對dui采cai樣yang率lv進jin行xing設she置zhi，係xi統tong運yun行xing後hou，便bian可ke根gen據ju實shi際ji需xu要yao進jin行xing相xiang應ying操cao作zuo，實shi現xian對dui采cai集ji數shu據ju的de瀏liu覽lan、測量、分析、記錄。係統的操作主界麵如下圖所示。
3. 2 數據采集、分析功能
測控係統對主動懸架控製算法所需的參數進行統一測量與分析，按照圖1.3所示的連接關係，將溫度、壓力、加速度、位移等傳感器測得信號經信號調理後的0~5V標準信號傳給PXI係統，並顯示在測控界麵上。
測控平台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
測控平台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，並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
測控平台可對台架試驗係統任意一路傳感器信號進行測量，測試界麵劑內容如下圖所示。
圖6 上位機程序波形測量選項
C. FFT頻譜
測控平台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，並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
測控平台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
試驗係統需要同時對7路lu數shu據ju進jin行xing采cai集ji，在zai進jin行xing算suan法fa調tiao試shi的de時shi候hou，往wang往wang試shi驗yan周zhou期qi很hen長chang，會hui根gen據ju需xu要yao對dui某mou一yi算suan法fa或huo產chan品pin進jin行xing多duo次ci試shi驗yan。因yin此ci，在zai試shi驗yan程cheng序xu中zhong設she計ji了le試shi驗yan原yuan始shi數shu據ju保bao存cun及ji回hui放fang功gong能neng。這zhe一yi功gong能neng為wei試shi驗yan數shu據ju的de保bao存cun提ti供gong了le方fang便bian、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，保證了重複試驗的一致性。
shiyancededeshujuheshiyanguochengzhongqitayixiexinxi，birugegeceliangtongdaodemingcheng，zonggongcaijideyangbenshu，caiyangjiange，shiyancaozuozhexingming，shiyanriqideng，doujiangzaiwenjianzhongyuyibaocun。shiyanshujuwenjiandewenjianminghebaocunlujing，doukeyiyoushiyancaozuorenyuangenjugerenxiguanlaizidingyibianji。
試(shi)驗(yan)數(shu)據(ju)回(hui)放(fang)界(jie)麵(mian)如(ru)下(xia)圖(tu)所(suo)示(shi)。為(wei)方(fang)便(bian)試(shi)驗(yan)人(ren)員(yuan)對(dui)以(yi)往(wang)試(shi)驗(yan)數(shu)據(ju)分(fen)析(xi)對(dui)比(bi)，測(ce)控(kong)係(xi)統(tong)提(ti)供(gong)了(le)數(shu)據(ju)回(hui)放(fang)功(gong)能(neng)，可(ke)將(jiang)測(ce)得(de)的(de)原(yuan)始(shi)數(shu)據(ju)導(dao)入(ru)係(xi)統(tong)，得(de)到(dao)該(gai)數(shu)據(ju)對(dui)應(ying)的(de)時(shi)域(yu)信(xin)號(hao)，加(jia)速(su)度(du)信(xin)號(hao)的(de)功(gong)率(lv)譜(pu)密(mi)度(du)，車(che)身(shen)加(jia)速(su)度(du)幅(fu)頻(pin)特(te)性(xing)圖(tu)和(he)車(che)身(shen)動(dong)行(xing)程(cheng)幅(fu)頻(pin)特(te)性(xing)圖(tu)。波(bo)形(xing)數(shu)據(ju)回(hui)放(fang)界(jie)麵(mian)如(ru)下(xia)圖(tu)所(suo)示(shi)。
圖9上位機程序波形數據回放界麵
3. 4 測控係統平台應用方法
- ） 係統初始化：當進入測試係統後，第一步就是進行係統的初始化，主要對傳感器標定模塊、信號采集模塊、控製信號輸出模塊、測控係統監測模塊、控製算法導入模塊進行初始化，對出現的異常情況進行報錯，為測控係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(ren)何(he)傳(chuan)感(gan)器(qi)在(zai)使(shi)用(yong)開(kai)始(shi)時(shi)或(huo)使(shi)用(yong)一(yi)段(duan)時(shi)間(jian)後(hou)都(dou)會(hui)有(you)誤(wu)差(cha)。為(wei)了(le)保(bao)證(zheng)測(ce)試(shi)精(jing)度(du)，必(bi)須(xu)對(dui)傳(chuan)感(gan)器(qi)進(jin)行(xing)標(biao)定(ding)，得(de)出(chu)新(xin)的(de)標(biao)定(ding)值(zhi)。標(biao)定(ding)的(de)方(fang)法(fa)是(shi)在(zai)有(you)效(xiao)測(ce)試(shi)範(fan)圍(wei)內(nei)，測(ce)5個或更多的點，並輸入相應的參數值，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，並將這些值存入相應的文件中。
- ） 將控製算法導入主動懸架台架試驗測控係統，建立算法參數與硬件接口間的對應關係：首(shou)先(xian)將(jiang)控(kong)製(zhi)算(suan)法(fa)文(wen)件(jian)編(bian)譯(yi)為(wei)動(dong)態(tai)鏈(lian)接(jie)庫(ku)文(wen)件(jian)，然(ran)後(hou)將(jiang)所(suo)編(bian)譯(yi)的(de)動(dong)態(tai)鏈(lian)接(jie)庫(ku)文(wen)件(jian)導(dao)入(ru)測(ce)控(kong)係(xi)統(tong)，在(zai)係(xi)統(tong)中(zhong)選(xuan)擇(ze)模(mo)型(xing)與(yu)硬(ying)件(jian)的(de)通(tong)信(xin)速(su)率(lv)以(yi)及(ji)使(shi)用(yong)到(dao)的(de)硬(ying)件(jian)I/O端口，建立端口與算法參數的映射關係。
- ） 運行主動懸架台架試驗測控係統：直至完成設定試驗內容，係統停止工作，出發試驗過程中出現係統異常造成的係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：本係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(deng)濾(lv)波(bo)功(gong)能(neng)設(she)置(zhi)，對(dui)所(suo)有(you)信(xin)號(hao)的(de)最(zui)大(da)值(zhi)，最(zui)小(xiao)值(zhi)，均(jun)方(fang)根(gen)值(zhi)，基(ji)波(bo)頻(pin)率(lv)，直(zhi)流(liu)值(zhi)，周(zhou)期(qi)平(ping)均(jun)值(zhi)，上(shang)升(sheng)時(shi)間(jian)，下(xia)降(jiang)時(shi)間(jian)進(jin)行(xing)運(yun)算(suan)，並(bing)可(ke)計(ji)算(suan)加(jia)速(su)度(du)和(he)位(wei)移(yi)信(xin)號(hao)的(de)幅(fu)值(zhi)譜(pu)、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，便於日後分析或處理。
- ） 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.tdmswenjiancongxinduqu，bingxianshizaishangweijizhongduanshang。tongguoduocishiyanjieguodeduibixianshi，keyifangbiandezhidaogegekongzhisuanfadeyoulie，weixuanzeheshidekongzhisuanfatigongyiju。
- ） 試驗完成後，可按照不同報表格式進行試驗結果打印，綜合評價控製算法的控製效果。
4. 結論
本文所述設計方案提供的測試係統不僅能滿足主動懸架係統的測試要求，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、重複性好，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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