主动悬架台架试验上位机监测控制系统技术解析

作者：张旭东、管继富、顾亮

本文​所述​基于​PXI​平台​的​主动​悬​架台​架​试验​测​控​系统，​该​系统​硬件​易​于​配置，​以​PXI​机​箱​为​基础，​配合​不同​PXI​板​卡​即可​实现​多种​功能，​成本​不高，​功能​全面，​可​扩展​性、​可​升级​性​强，​具有​测试​精度​高，​可靠性​强​等​优点。"

挑战:

随着​人们​对​车辆​行驶​平顺​性，​操纵​稳定​性的​要求​不断​提高，​希望​当​车辆​载​荷、​行驶​速度、​路面​状况​等​行驶​条件​发生​变化​时，​车辆​能​自动​调节​悬​架​系统​的​刚度，​因此​对​车辆​主动​悬​架​的​需求​日益​增加。​同时，​业界​对​主动​悬​架​系统​的​研究​也​更加​深入​广泛。​对​主动​悬​架​系统​来说，​产生​主​动力​的​作用​器​种类​多种​多样，​主动​控制​算法​也​不尽​相同，​因此，​一个​灵活​方便，​对​各种​机械​结构​及​控制​算法​具有​良好​兼容​性的​主动​悬​架台​架​试验​测​控​系统​十分​必要。

解决​方案:

根据​实际​需要，​本文​建立​了​一个​主动​悬​架台​架​试验​上位​机​监测​控制​系统。​利用​该​系统，​可​对​各种​主动​悬​架​系统​的​综合​性能​进行​全面​测试，​并​可​通过​该​上位​机​系统​对​主动​悬​架​施加​用户​编写​的​各种​控制​算法，​以​验证​控制​效果，​找出​最佳​控制​方案，​为​主动​悬​架​系统​的​开发​和​改进​设计​提供​了​设计​及​验证​手段。

1. 系统​平台​概述

本​主动​悬​架​系统​测​控​平台​硬件​部分​是​基​PXI​系统​搭建​的。​PXI（PCI eXtensions for Instrumentation，​面向​仪器​系统​的​PCI​扩展）​技术​于​1997​年​完成​开发，​并​在 1998 年​正式​推出，​它是​为了​满足​日益​增加​的​对​复杂​仪器​系统​的​需求​而​推出​的​一种​开放​式​工业​标准。

PXI​是​一种​坚固​的​基于 PC 的​测量​和​自动​化​平台。​PXI​结合​了 PCI 的​电气​总​线​特性​与 CompactPCI 的​坚固​性、​模​块​化​及​Eurocard​机械​封​装​的​特性，​并​增加​了​专门​的​同步​总​线​和​主要​软件​特性。​这​使​它​成为​测量​和​自动​化​系统​的​高性能、​低成本​运载​平台。​这些​系统​可​用于​诸如​制造​测试、​军事​和​航空、​机器​测​控、​汽车​生产​及​工业​测试​等​各种​领域​中。

2. 测​控​系统​平台​硬件​构​架​及​特点

硬件​上​主要​由​六​部分​组成：​上位​机、​信号​预​处理​模​块、​传感器、​液压​试验​台、​主动​悬​架​系统，​PXI​机​箱​及​信号​采集​输出​板​卡。​上位​机​用于​测​控​仿真​过程，​分析​和​保存​仿真​结果，​同时​用于​运行​算法​模型，​输出​控制​信号​对​执行​器​进行​相关​控制；​信号​预​处理​模​块​用于​为​传感器​提供​恒​流​源，​消除​电压​偏​置，​增加​控制​信号​驱动​能力；​传感器​包括​压力​传感器，​位移​传感器，​加速度​传感器，​温度​传感器，​用以​获取​控制​算法​所需​数据；​液压​试验​台​为​主动​悬​架​提供​激励​源，​模拟​实际​道路​工​况；​主动​悬​架​系统​相当​于​控制​算法​的​执行​机构，​包括​减​振​器、​油气​悬​架、​液压​泵​及​控制​液压​管路​通​断​的​各个​比例​阀​和​开关​阀​等​部件；​上述​各​环节​有机​结合​一个​完整​闭​环​系统，​测​控​平台​结构​框架​下​图​所​示：

图 1 ​测​控​平台​结构​框架

上位​机、​控制器​两者​通过​网​线​连接，​上位​机​对​仿真​过程​的​测​控​通过​共享​变量​来​实现。

该​监测​系统​可​对​试验​涉及​的​各个​设备​进行​集中​配置，​对​所有​设备​的​开​停​和​调节，​都可以​在​上位​机上​完成，​使得​试验​人员​操作​轻松​便捷，​减轻​了​试验​的​劳动​强度，​提高​了​试验​的​效率。​试验​人员​通过​计算​机​显示​屏，​可以​实​时​了解​车辆​悬​架​系统​各个​数据​采集​点​上​的​温度、​压力、​加速度​和​动​行程​等​数据，​并​进行​有关​测量​分析，​依​此​判断​悬​架​系统​性能​及​减​振​效果，​并​随时​可以​进行​人工​干预。

上位​机​是​整个​测​控​系统​的​核心，​具有​良好​的​人​机​交互​界面，​同时​它​也是​测​控​软件​的​载体。​NI​的​PXI​机​箱、​控制器​配合​基于​LabVIEW​等​开发​的​应用​软件​就​构成​了​虚拟​仪器​测​控​平台，​实现​了​全​数字​化​采集​测试​分析​功能，​具有​软​硬件​资源​丰富、​扩展​性​强、​测试​过程​自动​化、​测试​精度​高、​重复​性​好、​操作​方便、​性​价​比​高等​优点。

在​油气​悬​架​及​减​振​器​缸内​安装​有​温度​传感器​及​压力​传感器，​在​非​簧​载​质量​轴​头​及​簧​载​质量​上​安装​有​加速度​传感器，​在​非​簧​载​质量​与​簧​载​质量​间​安装​有​拉​线​式​位移​传感器。​传感器​采集​的​信号​通过​信号​调理​模​块​消除​偏​置，​传​至​PXI​板​卡​的​模拟​信号​接口，​经​模数​转换​后，​传​至​上位​机

主动​悬​架​测​控​系统​台​架​试验​硬件​部分​连接​关系​如下​图​所​示

该​主动​悬​架台​架​试验​测​控​系统​输出​的​控制​信号​分为​3​路​PWM​信号​及​1​路​开关​信号​两​种。​PWM​信号​用以：​1）​驱动​电机，​带动​液压​泵，​为​整个​主动​悬​架​系统​提供​动力​源；​2）​调节​比例​减​压​溢流​阀​开​度，​以​实现​对​液压​管路​内​压力​值​的​控制；​3）​调节​阻尼​阀​开​度，​实现​对​阻尼​比​的​调节，​达到​调节​阻尼​力​的​目的。​1​路​开关​信号​用以​调节​二位​二​通​阀​的​通​断，​实现​对​主动​悬​架​的​开​停​功能。​由​PXI​板​卡​输出​的​控制​信号，​首先​经过​信号​预​处理​模​块​增加​信号​的​驱动​能力，​再​连接​至​被​控​部件。

图​2 ​主动​悬​架​测​控​系​连接​关系

图​3 ​主动​悬​架​测​控​系统​台​架​试验​硬件​部分​连接​关系

3. 测​控​系统​平台​软件​设计​及​应用​方法

该​上位​机​监测​程序​可以​实现​对台​架​试验​数据​的​采集、​记录、​分析、​运算​等​各​项​功能，​并​可​将​记录​数据、​分析​结果​及​图表​生成​试验​报告。​试验​系统​的​调​试、​测​控​均​以​达到​自动​化，​具有​很高​可靠性，​并且​操作​界面​友好​便捷，​易​于​使用。​该​检测​软件​主要​功能​如下​表​所​示

表​1 软件​功能表

3.1 操作​界面

该​台​架​试验​测​控​系统​软件​部分​基于​LabVIEW​虚拟​仪器​开发​环境​编写，​可以​实现​多​路​信号​采集、​测量、​分析，​控制​信号​输出，​测试​数据​保存、​读​取​等​功能，​能​完全​应对​各种​主动​或​半​主动​悬​架台​架​试验​的​要求，​该​操作​界面​与​实验​室​常用​示波器​类似，​易​于​上手

3. 2 数据​采集、​分析​功能

测​控​系统​对​主动​悬​架​控制​算法​所需​的​参数​进行​统一​测量​与​分析，​按照​图​1.3​所​示​的​连接​关系，​将​温度、​压力、​加速度、​位移​等​传感器​测​得​信号​经​信号​调理​后​的​0~5V​标准​信号​传给​PXI​系统，​并​显示​在​测​控​界面​上。

图​4 上位​机​监测​程序​操作​主​界面 ​

操作​界面​以​选项​卡​的​形式，​将​该​系统​分为​波形​浏览 /​设置、​波形​测量、​FFT​频​谱、​波形​回​放​和​幅​频​特性​分析​五大​功能，​此外，​系统​还​可​根据​操作​者​实际​使用​需求，​调节​波形​图​X，​Y​轴​坐标​量程，​实​时​截取​波形​图​当前​波形​并​保存​为 .dmp​文件，​编辑​实验​名称，​实验​人员​及​文件​名​等​辅助​功能。​系统​启动​前，​应​首先​对​采样​率​进行​设置，​系统​运行​后，​便可​根据​实际​需要​进行​相应​操作，​实现​对​采集​数据​的​浏览、​测量、​分析、​记录。​系统​的​操作​主​界面​如下​图​所​示。

图​5 ​上位​机​程序​滤波​选项

测​控​平台​对​所​测​得​的​数据​提供​多种​测量​分析​及​数据​处理​选项：

A. 滤波​设置

测​控​平台​提供​了​丰富​的​滤波​方式，​可以​针对​不同​情况​进行​相应​的​滤波​设置，​包含​贝​塞​尔、​Butterworth、​Chebyshev、​反​Chebyshev、​椭圆​等​5​种​滤波​的​拓​扑​结构，​高​通、​低​通、​带​通、​带​阻、​平滑​等​5​种​滤波​类型，​并​可​对​滤波​器​高低​截止​频率​及​滤波​器​阶​数、​IIR/​FIR​选择​进行​相应​设置。

B. 波形​测量

测​控​平台​可​对台​架​试验​系统​任意​一路​传感器​信号​进行​测量，​测试​界面​剂​内容​如下​图​所​示

C. FFT​频谱

测​控​平台​可​对​加速度​及​动​行程​信号​进行​FFT​幅​值​（均​方根值）、​FFT​幅​值​（峰值）、​功率​谱​及​功率​谱​密度​测量，​并​将​测量​结果​以​波形​的​形式​显示。

D. 幅​频​特性​分析

测​控​平台​根据​加速度​传感器​及​位移​传感器​测​得​信号，​计算​得到​车身​加速度​幅​频​特性​及​动​行程​幅​频​特性。

3.3 波形​记录、​回​放​功能

试验​系统​需要​同时​对​7​路​数据​进行​采集，​在​进行​算法​调​试​的​时候，​往往​试验​周期​很​长，​会​根据​需要​对​某一​算法​或​产品​进行​多次​试验。​因此，​在​试验​程序​中​设计​了​试验​原始​数据​保存​及​回​放​功能。​这​一​功能​为​试验​数据​的​保存​提供​了​方便、​简单​的​操作，​同时​也​尽可能​避免​因​人为​因素​造成​试验​参数​设定​不​统一，​或者​试验​数据​的​遗漏，​保证​了​重复​试验​的​一致性。

试验​测​得​的​数据​和​试验​过程​中​其它​一些​信息，​比如​各个​测量​通道​的​名称，​总共​采集​的​样本​数，​采样​间隔，​实验​操作​者​姓名，​试验​日期​等，​都​将​在​文件​中​予以​保存。​试验​数据​文件​的​文件​名和​保存​路径，​都可以​有​试验​操作​人员​根据​个人​习惯​来自​定义​编辑

试验​数据​回​放​界面​如下​图​所​示。​为​方便​试验​人员​对​以往​试验​数据​分析​对比，​测​控​系统​提供​了​数据​回​放​功能，​可​将​测​得​的​原始​数据​导入​系统，​得到​该​数据​对应​的​时​域​信号，​加速度​信号​的​功率​谱​密度，​车身​加速度​幅​频​特性​图​和​车身​动​行程​幅​频​特性​图。​波形​数据​回​放​界面​如下​图​所​示。

图​9 ​上位​机​程序​波形​数据​回​放​界面

3. 4 测​控​系统​平台​应用​方法

1）系统​初始​化：​当​进入​测试​系统​后，​第​一步​就是​进行​系统​的​初始​化，​主要​对​传感器​标定​模​块、​信号​采集​模​块、​控制​信号​输出​模​块、​测​控​系统​监测​模​块、​控制​算法​导入​模​块​进行​初始​化，​对​出现​的​异常​情况​进行​报​错，​为​测​控​系统​的​运行​做​必要​的​准备​工作。

2）设置​相应​测试​参数​及​测试​信息：​包括​采样​信息，​测试​时间，​测试​人员，​测试​备注​信息​等。

3）传感器​标定：​任何​传感器​在​使用​开始​时​或​使用​一段​时间​后​都会​有​误差。​为了​保证​测试​精度，​必须​对​传感器​进行​标定，​得出​新的​标定​值。​标定​的​方法​是在​有效​测试​范围​内，​测​5​个​或​更多​的​点，​并​输入​相应​的​参数​值，​计算​机​根据​输入​的​值，​利用​线性​回归​的​方法​进行​计算，​得到​回归​方程、​最大​标定​值、​最大​电压​值、​绝对​误差​相对​误差​等，​并​将​这些​值​存入​相应​的​文件​中。

4）将​控制​算法​导入​主动​悬​架台​架​试验​测​控​系统，​建立​算法​参数​与​硬件​接口​间​的​对应​关系：​首先​将​控制​算法​文件​编译​为​动态​链​接​库​文件，​然后​将​所​编译​的​动态​链​接​库​文件​导入​测​控​系统，​在​系统​中​选择​模型​与​硬件​的​通信​速率​以及​使用​到​的​硬件​I/​O​端​口，​建立​端​口​与​算法​参数​的​映射​关系。

5）运行​主动​悬​架台​架​试验​测​控​系统：​直至​完成​设定​试验​内容，​系统​停止​工作，​出发​试验​过程​中​出现​系统​异常​造成​的​系统​自动​停​机​或​人为​急​停。

6）对​测量​数据​进行​实​时​采集​处理​和​分析：​本​系统​包含​对​信号​滤波​拓​扑​结构，​滤波​类型，​低​截止​频率，​高​截止​频率，​阶​数，​IIR/​FIR​等​滤波​功能​设置，​对​所有​信号​的​最大值，​最小值，​均​方根值，​基​波​频率，​直流​值，​周期​平均值，​上升​时间，​下降​时间​进行​运算，​并​可​计算​加速度​和​位移​信号​的​幅​值​谱、​均​方​根​谱、​功率​谱​及​功率​谱​密度，​可​计算​车辆​簧​载​质量​加速度​幅​频​特性、​动​行程​幅​频​特性。

7）对​测量​数据​进行​实​时​存储：​主要是​将​采集​的​信号​以​LabVIEW​特有的 .tdms​文件​格式​储存​在​本地​硬盘​上，​也​可​将​数据​储存​在​数据​库​中，​便于​日​后​分析​或​处理。

8）对​测量​数据​进行​实​时​显示​及​回​放：​主要是​将​采集​的​信号​在​时​域​和​频​域​上​进行​实​时​显示；​也​可​对​保存​的 .tdms​文件​从​新​读​取，​并​显示​在​上位​机​终端​上。​通过​多次​试验​结果​的​对比​显示，​可以​方便​的​知道​各个​控制​算法​的​优​劣，​为​选择​合适​的​控制​算法​提供​依据。

9）试验​完成后，​可​按照​不同​报表​格式​进行​试验​结果​打印，​综合​评价​控制​算法​的​控制​效果。

4. 结论

本文​所述​设计​方案​提供​的​测试​系统​不仅​能​满足​主动​悬​架​系统​的​测试​要求，​还​可以​完全​兼容​半​主动​及​被动​悬​架​的​测试，​测试​过程​自动​化、​精度​高、​重复​性​好，​且​较​国外​同等​功能​设备，​价格​低廉，​硬件​配置​简单，​可​扩展​性​强。