作者：張旭東、管繼富、顧亮

本文?所述?基于?PXI?平臺?的?主動?懸?架臺?架?試驗?測?控?系統，?該?系統?硬件?易?于?配置，?以?PXI?機?箱?為?基礎，?配合?不同?PXI?板?卡?即可?實現?多種?功能，?成本?不高，?功能?全面，?可?擴展?性、?可?升級?性?強，?具有?測試?精度?高，?可靠性?強?等?優點。"

挑戰:

隨著?人們?對?車輛?行駛?平順?性，?操縱?穩定?性的?要求?不斷?提高，?希望?當?車輛?載?荷、?行駛?速度、?路面?狀況?等?行駛?條件?發生?變化?時，?車輛?能?自動?調節?懸?架?系統?的?剛度，?因此?對?車輛?主動?懸?架?的?需求?日益?增加。?同時，?業界?對?主動?懸?架?系統?的?研究?也?更加?深入?廣泛。?對?主動?懸?架?系統?來說，?產生?主?動力?的?作用?器?種類?多種?多樣，?主動?控制?算法?也?不盡?相同，?因此，?一個?靈活?方便，?對?各種?機械?結構?及?控制?算法?具有?良好?兼容?性的?主動?懸?架臺?架?試驗?測?控?系統?十分?必要。

解決?方案:

根據?實際?需要，?本文?建立?了?一個?主動?懸?架臺?架?試驗?上位?機?監測?控制?系統。?利用?該?系統，?可?對?各種?主動?懸?架?系統?的?綜合?性能?進行?全面?測試，?并?可?通過?該?上位?機?系統?對?主動?懸?架?施加?用戶?編寫?的?各種?控制?算法，?以?驗證?控制?效果，?找出?最佳?控制?方案，?為?主動?懸?架?系統?的?開發?和?改進?設計?提供?了?設計?及?驗證?手段。

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

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?2 ?主動?懸?架?測?控?系?連接?關系

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

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

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。

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。

圖?5 ?上位?機?程序?濾波?選項

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。

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

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。

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。

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

1）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。

2）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。

3）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。

4）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。

5）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。

6）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。

7）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。

8）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。

9）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。

編輯：hfy