伺服機構動態特性測試系統設計

(1.中國人民解放軍31008部隊，北京 100191；2.中國人民解放軍31011部隊，北京 100161)

0 引言

伺服機構是導彈控制系統的重要執行部件，其功用是通過推動發動機噴管方向，而改變導彈飛行的軌跡和姿態。伺服機構的動態性能對導彈飛行穩定性和命中精度具有直接影響[1]。因此，在導彈發射前必須對伺服機構進行必要的性能測試[2-5]。

伺服機構的動態特性是伺服系統的重要品質，能夠從本質上表征其真實狀態[1,3]。傳統的電液伺服機構動態測試方法大多采用正弦相關分析法，存在測試裝備體積大、測試時間長和不能在測試頻帶范圍內對伺服機構的模態充分激發的缺點[6-7]。為快速、準確獲得伺服機構測試頻帶范圍的頻率特性，課題采用基于調頻脈沖(chirp)信號的動態測試方法，設計了采用PCI總線技術和虛擬儀器技術的動態測試系統，具有測試時間短、測試頻帶內充分激勵伺服機構模態等特點。

1 系統設計方案

動態測試系統設計主要包括測試平臺搭建、人機交互軟件設計和數據處理算法三部分。測試平臺部分，采用研華IPC-610L工控機和PCI-1706U多功能數據采集卡實現激勵信號產生和響應型號采集功能，放大器電路實現激勵信號放大功能，信號調理電路實現響應信號衰減和濾波功能，繼電器選擇通道實現系統自檢通道和多測試通道切換功能。測試平臺的具體硬件結構組成如圖1所示。

圖1 伺服機構測試系統原理圖

系統工作原理為：1)測試前，首先進行系統自檢，通過控制繼電器通道將信號調理電路與伺服放大器連接形成閉環，實現系統激勵信號產生和響應信號采集自檢，檢查系統A/D和D/A功能是否正常；2)系統自檢正常后才能進行動態測試操作。測試時首先手動設置激勵信號和響應采集參數，通過控制繼電器通道將被測試對象與伺服放大器連接形成閉環；然后工控機發出D/A轉換指令和A/D啟動指令，控制D/A端口產生激勵信號，激勵信號經過伺服放大后作用于電液伺服機構，系統響應輸出信號需由信號調理電路進行電平調整和濾波等處理，滿足A/D端口采集范圍后，數據采集板卡才進行模擬量信號的采集操作；最后工控機測試程序向多功能板卡A/D模塊發出數據采集結束的查詢指令，數據采集結束后，調用分析算法處理測試數據，得到測試結果并顯示。

2 算法原理

2.1 正弦相關分析法

正弦相關分析法作為一種成熟的動態特性測試方法，廣泛應用于伺服機構的頻率特性測試。采用一組頻率點的掃頻信號通過測試系統，根據輸入輸出的相關運算，可求出掃頻信號頻率對應的幅值比和相位差。正弦相關分析法的測試原理[8-9]如圖2所示，采用正弦掃頻信號作為激勵，基于互相關方法對采集到的激勵和響應信號進行計算，最后得到系統頻率特性。

圖2 正弦相關分析法

計算得到的系統頻率特性如下。

幅頻特性：

(1)

相頻特性：

(2)

U(ω)和V(ω)的計算滿足：

AinAout(ω)cos(φ)

(3)

AinAout(ω)sin(φ)

(4)

其中:Ain表示激勵信號幅值，ω表示激勵信號角頻率；Aout表示響應信號幅值，φ表示響應信號相角；Yn表示噪聲信號幅值，nω表示噪聲信號角頻率，ψn表示噪聲信號初相角；NT表示數字周期。

測試過程中，掃頻時間越長，獲得測試精度越高。根據所選頻率點處的幅頻特性，通過最小二乘法得到其他頻率點的頻率特性。正弦相關分析法對噪聲具有良好的抑制作用，測試精度高，常作為其他測試的比較基準，具有良好重復性[9]。缺點是采用掃頻信號，因需要多次掃頻采樣，使得測試時間較長，而且測試過程中，不能夠充分激發系統模態，對于頻率特性變化劇烈的情況，通過不同頻率點最小二乘法獲得頻率特性會存在不準確的情況。

2.2 譜分析法

譜分析法測試過程中，采用的激勵信號為白噪聲信號。白噪聲信號是一種具有豐富頻率成分的隨機信號，但實際不存在。因此在測試過程中，一般采用有色噪聲替代白噪聲，稱為偽隨機信號。

譜分析法測試過程中，當輸入激勵信號為理想脈沖時，它將均勻激勵被測試系統，從而得到系統的頻率特性，采用譜分析法能夠一次激勵就把選定頻帶范圍的各頻率點的頻率特性求出[10]。但在實際測試過程中白噪聲信號是不可能實現的，因而常采用其他帶寬信號如正弦連續掃頻信號或者隨機噪聲信號作為激勵信號[11]。譜分析法的測試原理[9]如圖3所示：

圖3 譜分析法測試原理

在頻率特性測試過程中，相關分析法需要伺服機構處于“離線”狀態下，即在正弦信號掃頻激勵下，只有等到輸入輸出信號穩定以后才能開始計算頻率特性，而譜分析法可以實現伺服機構的“在線”快速測試，即在不影響伺服機構正常工作的情況下快速獲得系統頻率特性。但是頻率特性測試過程中，譜分析法的可重復性差，測試的精度不高。

2.3 基于多諧差相信號的測試方法

多諧差相信號(Schroeder Phased Harmonic Signal，簡稱SPHS)是由美國學者R.Schroeder在20世紀70年代提出的，由若干正(余)弦信號疊加而成，但其疊加方式不同于普通的多頻聲信號，其性能也更優[12]。基于SPHS信號的測試原理[13]如圖4所示。

圖4 SPHS信號測試原理

采用相關分析法可以有效抑制噪聲干擾，采用SPHS信號作為激勵信號的頻率特性測試不僅可以縮短測試時間，還可以有效抑制噪聲干擾。SPHS激勵信號具有如下特點[5]：

1)具有較低的峰峰比。采用SPHS信號作為伺服機構動態測試的激勵信號，信號變化比較平穩，能量分布比較均勻，有利于伺服機構動態測試。

2)SPHS信號為周期信號，具有豐富的波形變化。此外，SPHS信號的頻譜為離散譜，對噪聲干擾能夠有效抑制，測試精度高。

3)SPHS信號的周期可以根據需要設定，通過改變周期的大小可以間接改變基頻，這樣可以通過設置基波的周期將待測試頻率點包含到SPHS信號中去，可以實現一次性完成多個頻率點的測試，提高頻率特性的測試速度。

4)SPHS信號的頻譜是等間隔離散分布的，此外SPHS信號的頻譜虛部為零。

綜上，SPHS信號作為伺服機構的激勵信號時，具有一定的優越性。相對正弦相關分析法能夠一次性完成對選定頻率點的測試，有效提高測試速度，縮短測試時間。相比譜分析法，SPHS作為激勵信號變化平穩，有利于伺服機構的動態測試，因頻譜離散還能夠有效抑制噪聲。但是SPHS信號產生比較困難，頻譜為離散譜，不能夠充分地激勵系統模態，對動態特性隨頻率的連續變化的情況不能夠充分的反映。

2.4 基于chirp信號的測試方法

chirp信號是幅值不變，頻率隨時間作線性變化的連續信號，數學表達式為：

x(t)=Acos(2π(βt+f0)t)

(5)

基于chirp信號的測試原理[14-15]如圖5所示，對采集到的激勵x(k)和響應信號y(k)進行快速傅立葉變換(FFT)，計算得到復數Y(ωk)/X(ωk)，其絕對值為幅值比，相角為相位差。

圖5 chirp信號測試原理

基于chirp信號的測試方法，因一次掃頻測試就可完成對所測試頻域范圍內的頻率特性的獲取，測試速度快、測試效率高，能夠對系統模態充分激勵[10]。采樣時間與調頻脈沖信號掃描時間有關，較正弦相關分析法采樣時間大大縮短，因FFT變換能夠對噪聲有抑制作用，測試過程中也表現出了較好的測試結果，保證快速準確地獲得系統頻率特性。

本文對伺服機構常見的測試方法進行了分析研究，針對正弦相關分析法測試過程測試時間長，測試頻率點較少且不連續，測試頻率點對伺服機構的模態激勵不夠充分；譜分析法測試過程中測試精度低，抗干擾能力和可重復性差；多諧差相信號的測試方法激勵信號頻譜是等間隔的離散譜不能夠對伺服機構動態特性充分反映且信號產生困難。基于chirp信號的測試方法能夠充分激勵模態，測試速度快。因此選擇重復性好且能夠對伺服機構頻帶充分覆蓋的chirp信號作為激勵信號，采用FFT變換，縮短伺服機構的測試時間，充分激勵模態，完成導彈伺服機構的動態性能的測試。

3 軟件設計

動態特性測試系統的軟件功能設計如圖6所示，主要包括系統自檢、激勵信號產生、數據采集、數據處理和數據管理等功能模塊。各模塊具體功能為：

1)系統自檢模塊：通過控制繼電器選擇通道形成激勵—采集閉環回路，檢測數據采集卡和激勵信號產生、數據采集、數據處理等功能模塊是否完好。

2)激勵信號產生模塊：通過調用底層驅動庫函數，控制數據采集卡中寫寄存器的時序邏輯操作，產生正弦信號、chirp信號和階躍信號等激勵。將產生激勵信號的控制邏輯封裝為通用函數庫，通過交互界面設置激勵信號幅值、起始截止頻率等參數，調用相應庫函數，產生激勵信號。

3)數據采集模塊：通過調用底層庫函數，控制數據采集卡中讀寫寄存器的時序邏輯操作，完成采集端口選擇、數據采集觸發及結果讀取等功能。

4)數據處理模塊：主要包括數據預處理和計算兩部分。數據預處理部分實現采集數據的濾波、野值剔除等操作；計算部分實現頻率特性計算，完成正弦相關分析和chirp信號處理。

5)數據管理模塊：實現登錄人員權限管理、測試數據存儲、查詢、打印和系統維護等功能。

圖6 軟件功能模塊

測試系統軟件流程如圖7所示，系統啟動后，首先進行用戶身份驗證，用于用戶權限管理和系統操作信息記錄；然后開始系統狀態自檢測操作，主要檢測工控機、多功能數據采集卡、放大器電路、信號調理電路、繼電器通道選擇模塊等硬件電路的功能完好性；系統自檢正常后，進行測試方法選擇，主要有正弦相關分析法、chirp信號方法和階躍響應法三種測試方法；測試參數設置環節主要完成通道切換選擇，激勵信號幅值、頻率設置，采樣頻率設置等操作；參數設置完成后開始測試操作，通過激勵信號產生模塊調用底層板卡驅動，輸出需要的激勵信號，同步采集系統激勵和響應信號并保存；采集結束后，調用數據處理函數完成濾波和計算功能，并繪制結果曲線。

本課題選用Visual Studio軟件作為測試系統的開發平臺，在該軟件平臺環境下采用C#語言進行編程，主要實現登錄人員記錄管理、在線測試和離線分析功能。

1)登錄人員記錄管理：動態測試軟件通過控制權限對特性用戶開放，主要包括用戶名、密碼鍵入和系統功能選擇操作。

2)在線測試功能：在線測試功能主要包括首頁系統自檢、調頻脈沖掃頻法、相關分析法和階躍特性測試等功能模塊組成，設計完成的操作界面如圖8所示。

圖8 測試軟件操作界面

3)離線分析：離線分析軟件主要用于讀取在線測試過程中存儲的數據，進行回訪分析以及打印等功能，設計完成的操作界面如圖11所示。

程序主要用到事件結構以及讀取電子表格Excel表格文件函數，通過點擊界面的讀取數據按鈕讀取存儲的數據文件，并根據前期的存儲規則進行數據提取圖表顯示。

4 實驗結果分析

采用RLC電路模擬被測對象伺服機構，其數學模型采用簡化的三階系統數學模型代替，模型如下：

(6)

實驗過程中，激勵信號幅值設置為3 V，采樣頻率選擇5 kHz，相關分析法測試頻率f選擇為0.1、0.5、1、5、10、15、20 Hz，基于chirp信號的測試方法測試頻帶為0.1～20Hz。得到的測試結果分別如圖9和圖10所示。從中可以看出，本文設計的動態特性測試系統中基于正弦相關分析法和基于chirp信號的系統頻率特性測試模塊均能夠實現伺服系統的頻率特性測試，且誤差較小。基于正弦相關分析法的頻率特性測試結果優于基于chirp信號的系統頻率特性測試方法，但測試時間卻顯著增加。

圖9 基于正弦相關分析法的系統頻率特性和誤差

圖10 基于chirp信號的系統頻率特性和誤差

5 結論

本文設計完成了一種新的伺服機構動態特性測試系統，具備基于chirp信號處理和正弦相關分析的頻率特性測試和階躍特性測試功能。系統硬件平臺主要由研華IPC-610L工控機和PCI-1706U多功能數據采集卡，自研信號調理電路和繼電器通道選擇模塊組成；軟件部分采用模塊化設計思想，將硬件底層驅動進行封裝得到激勵信號產生和采集模塊，采用C#設計友好人機交互界面；數據處理過程中，選擇重復性好且能夠對頻帶充分覆蓋的chirp信號作為激勵，顯著縮短測試時間，充分激勵模態，同時繼續保留傳統的正弦相關分析算法作為基準。測試試驗表明該系統操作簡單，能夠圓滿完成電液伺服機構的動態測試任務。