自動駕駛儀動態測試系統設計

鄭 鵬1，張麗君，張 騰

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

0 引言

自動駕駛儀[1]是導彈制導與飛行控制系統中的重要組成部分之一，在導彈飛行過程中，起著控制和穩定導彈的作用，是導彈控制的核心，使導彈按照制導設備發來的指令準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、姿態敏感器件、綜合電源、舵機等，主要實現對導彈的各個通道姿態角進行控制和穩定的功能。

針對自動駕駛儀的測試系統[2-3]需要對上述部件進行全面測試。駕駛儀的動態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調性，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測試。

1 動態測試原理

動態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，來獲得其傳遞函數的技術。

如圖1，正弦信號u(t)施加到傳遞函數為G(s)的系統，系統輸出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與系統在頻率ω處的響應具有如下關系：

幅度響應：

(1)

相位響應：

Φ=∠G(jω)

(2)

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

圖3 頻率響應曲線

這種動態測試方法的優勢是能夠對系統在不同頻率點的響應進行獨立分析，精度很高，適用于具有共振特性的系統測試。

傳統臺式動態測試儀利用信號相關處理的方式，可獲得高精度的頻率響應結果，如圖4所示。

圖4 臺式動態測試儀原理框圖

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)

可得到該系統的頻率響應結果：

幅度響應：

(9)

相位響應：

(10)

由上述分析可知，傳統臺式動態測試儀器具備如下功能：

1)根據選定頻率ω，產生精確的sinωt和cosωt信號；

2)信號相關運算能力；

3)非線性運算能力，開方、反正切函數等

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

臺式儀器中正弦和余弦信號均由內部產生，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部實現，減少了噪聲的影響，整個系統可以獲得較高的精度。

動態測試(又稱動態信號分析、頻響分析)是控制系統設計、生產和維護保障中的重要測試手段。傳統的動態測試必須使用專用的臺式動態測試儀器才能滿足高精度、信號調制等要求。隨著保障設備向自動化、集成化、通用化、虛擬化發展，傳統的臺式儀器及測試方法已經無法滿足裝備維護保障的要求。

自20世紀末以來，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，通用性強等優勢，在通用測試、保障維修、工業自動化領域獲得了越來越多的應用，產品覆蓋了數字多用表、信號源、示波器、計數器等門類，功能和性能能夠完全替代相應的臺式儀器。利用虛擬儀器的專用軟件處理思想，可以實現大部分傳統臺式儀器的專用功能，進一步拓展了通用測試儀器的應用范圍。

本文提出利用PXI總線的通用測試儀器，結合動態信號分析算法，實現動態測試的方法，具有重要的應用意義：

1)硬件基于通用模塊化儀器，使動態測試設備能夠與通用測試系統集成，實現保障設備的集成化、小型化，提高機動性。

2)軟件利用虛擬儀器的思想，動態測試的核心處理由軟件實現，易于維護和升級，擴展性強，可隨需要的變化改變產品功能，增強保障設備適應性。

3)大大降低部署和維護成本，提高保障設備戰斗力，通用儀器硬件可互換、重用性強，減少了備件的種類，降低了維護保養代價。

2 測試方案設計

2.1 基于通用儀器的動態測試原理分析

利用基于PXI總線的通用信號源、示波器及計算機軟件構建的動態測試設備[5]如圖5所示，信號源產生激勵信號u(t)=Usinωt進入被測對象，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信號，AD轉換后的信號成為數字信號，設采樣率為Fs，則采樣點序號n與時間t有如下關系：

(11)

代入式(3)、(4)則輸入輸出信號變為：

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)

而相頻響應結果變為:

Φ=Φ1-Φ2

(16)

將數字信號通過PXI總線上傳到主控計算機，計算機對激勵和響應信號的數字信號進行軟件處理，得到動態測試結果，如圖5所示。

圖5 基于通用儀器的動態測試原理

該動態測試方法硬件結構簡單，核心功能由計算機軟件算法實現。軟件算法的原理與傳統動態測試儀器的處理類似，區別在于僅針對數字信號使用數字信號處理的方法實現傳統儀器中復雜模擬信號處理的功能。

算法輸入輸出信號為式(12)、(13)所列數字信號。在通用測試系統中，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。數字信號處理中有必要進行數字濾波。由于濾波后的信號將產生相位移，為了不影響相位響應結果，對u(n)和y(n)應用同一濾波器進行濾波，使其相位移相同，相位響應結果將不受影響。

幅度響應結果可以直接對u(n)和y(n)進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運算處理。

基于通用儀器的動態測試方法中信號源只產生激勵信號u(t)，不能同時產生與其相差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行相關運算。在算法中，需要產生零相位的sin和cos信號用于相關運算，因此就需要對輸入信號的周期進行檢測。已知輸入輸出信號u和y為同頻率，只要對y(n)進行周期檢測即可，得到周期P用于生成sin和cos信號。周期P的含義為數字信號每周期的采樣點數。P與ω具有如下關系，其中Fs為采樣率：

(17)

sin和cos信號與濾波后的數字信號u(n)和y(n)分別進行相關運算，根據式(5)和(7)，對離散數字信號可得：

(18)

(19)

其中:N為參與運算的信號總周期數。

可得到u(n)的特征參數Φ1：

相位響應：

(20)

同樣的可得到y(n)的特征參數Φ2：

相位響應：

(21)

由式(16)進一步得到u(n)和y(n)的頻響分析結果。

動態測試方案如圖6所示。信號源輸出參考信號。在輸入調幅信號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。x信號和y信號進行相關運算[6]即得到被測對象的幅頻和相頻響應。

圖6 動態測試方案

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)，多次相位測量結果如圖7所示。

圖7 相位測量結果散點圖

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)，相位測量結果如圖8所示。

圖8 增加采樣長度下相位測量結果散點圖

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，已經達到傳統臺式頻響分析儀器同等的精度水平。

3 測試系統的構成和實驗

3.1 系統構成

3.1.1 硬件構成

圖9 自動駕駛儀測試系統總體架構

如圖9所示，系統由測試控制計算機、信號源模塊、示波器模塊、矩陣開關模塊、數字萬用表模塊、功率開關模塊和供電電源組成，從而實現對自動駕駛儀的測試。

測試控制計算機通過PXI儀器總線來控制和管理各個PXI模塊。通過PXI總線控制功率開關模塊，從而控制供電電源對被測對象進行供電。數字萬用表和矩陣開關模塊用于對模擬信號的值進行測量。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信號。

測試控制計算機負責對電源、各個PXI模塊以及被測對象的運行實行控制；負責對自動駕駛儀的測試流程進行控制；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信號、數字萬用表和矩陣開關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，由測試控制計算機進行存儲和相關運算等。

在此測試系統中，測試控制計算機和測試儀器通過采集自動駕駛儀的輸入輸出信號值，從而實現對自動駕駛儀功能的動態測試。

3.1.2 軟件構成

常用的測試軟件開發平臺[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，包含儀器驅動配置、測試流程開發和執行、用戶自定義測試模塊、歷史數據管理等，能夠滿足大部分通用測試設備需求，具有較高的重用性、通用性和擴展性。

而對于武器系統維修測試和保障設備而言，需要更加重視軟件的專用功能實現和高可靠性，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、專業化的軟件開發平臺作為自動駕駛儀動態測試設備軟件平臺，本文選用VITE產品。

VITE(虛擬儀器測試環境)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的全壽命周期內測試信息共享、TPS的圖形化開發、IVI儀器互換架構、IEEE1641信號模型、測試信號到儀器動作的轉換、執行界面定制等關鍵技術，建立了復雜裝備全壽命周期的統一信息框架。

該軟件具有測試開發快捷、數據接口規范、深度定制、專業程度高等特點，可實現被測對象建模、測試流程開發、系統執行服務、診斷處理分析、系統資源管理等主要功能，已經成功應用于多項軍工領域的測試開發與診斷任務。

3.2 實驗結果

自動駕駛儀單通道動態擾動下的回路傳遞特性測試結果。

表1 單通道動態擾動下的回路傳遞特性測試結果

該型自動駕駛儀側向穩定回路傳遞特性理論值和實測值如圖10所示。

圖10 單通道動態擾動下的回路傳遞特性測試結果

由上述測試結果可見，本文所述的自動駕駛儀動態測試系統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節中的推導建立在理想情況下，實際應用中存在誤差，最主要的來源是周期P檢測誤差，進而導致sin和cos信號頻率誤差。設實際檢測周期為P1，相應的sin信號頻率為ω1：

(22)

顯然P1為整數，而理想周期P應滿足式(17)，不一定為整數，注意即便理想周期P為整數，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)

相應的式(18)應為：

(24)

可見Ru的計算有兩方面的誤差，一是ω1計算不準的誤差，二是求和區間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，應通過低通濾波器消除其影響。

對于求和區間的誤差，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，對相關運算本身也將產生誤差。為滿足P1不小于5 000(點/周期)，采樣率Fs遠大于有用信號頻率，因此也不可避免的引入了噪聲。經過對相位結果進行大量測試后統計發現，相位誤差為隨機誤差，服從正態分布。

這里以輸入信號u(n)為例，y(n)的推導結果類似。設實際輸入信號為：

(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函數，在運算周期NP無窮大時，噪聲項的期望為0。然而實際應用中，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。

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

5 結論

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