伺服机构动态特性测试系统设计

(1.中国人民解放军31008部队，北京 100191；2.中国人民解放军31011部队，北京 100161)

0 引言

伺服机构是导弹控制系统的重要执行部件，其功用是通过推动发动机喷管方向，而改变导弹飞行的轨迹和姿态。伺服机构的动态性能对导弹飞行稳定性和命中精度具有直接影响[1]。因此，在导弹发射前必须对伺服机构进行必要的性能测试[2-5]。

伺服机构的动态特性是伺服系统的重要品质，能够从本质上表征其真实状态[1,3]。传统的电液伺服机构动态测试方法大多采用正弦相关分析法，存在测试装备体积大、测试时间长和不能在测试频带范围内对伺服机构的模态充分激发的缺点[6-7]。为快速、准确获得伺服机构测试频带范围的频率特性，课题采用基于调频脉冲(chirp)信号的动态测试方法，设计了采用PCI总线技术和虚拟仪器技术的动态测试系统，具有测试时间短、测试频带内充分激励伺服机构模态等特点。

1 系统设计方案

动态测试系统设计主要包括测试平台搭建、人机交互软件设计和数据处理算法三部分。测试平台部分，采用研华IPC-610L工控机和PCI-1706U多功能数据采集卡实现激励信号产生和响应型号采集功能，放大器电路实现激励信号放大功能，信号调理电路实现响应信号衰减和滤波功能，继电器选择通道实现系统自检通道和多测试通道切换功能。测试平台的具体硬件结构组成如图1所示。

图1 伺服机构测试系统原理图

系统工作原理为：1)测试前，首先进行系统自检，通过控制继电器通道将信号调理电路与伺服放大器连接形成闭环，实现系统激励信号产生和响应信号采集自检，检查系统A/D和D/A功能是否正常；2)系统自检正常后才能进行动态测试操作。测试时首先手动设置激励信号和响应采集参数，通过控制继电器通道将被测试对象与伺服放大器连接形成闭环；然后工控机发出D/A转换指令和A/D启动指令，控制D/A端口产生激励信号，激励信号经过伺服放大后作用于电液伺服机构，系统响应输出信号需由信号调理电路进行电平调整和滤波等处理，满足A/D端口采集范围后，数据采集板卡才进行模拟量信号的采集操作；最后工控机测试程序向多功能板卡A/D模块发出数据采集结束的查询指令，数据采集结束后，调用分析算法处理测试数据，得到测试结果并显示。

2 算法原理

2.1 正弦相关分析法

正弦相关分析法作为一种成熟的动态特性测试方法，广泛应用于伺服机构的频率特性测试。采用一组频率点的扫频信号通过测试系统，根据输入输出的相关运算，可求出扫频信号频率对应的幅值比和相位差。正弦相关分析法的测试原理[8-9]如图2所示，采用正弦扫频信号作为激励，基于互相关方法对采集到的激励和响应信号进行计算，最后得到系统频率特性。

图2 正弦相关分析法

计算得到的系统频率特性如下。

幅频特性：

(1)

相频特性：

(2)

U(ω)和V(ω)的计算满足：

AinAout(ω)cos(φ)

(3)

AinAout(ω)sin(φ)

(4)

其中:Ain表示激励信号幅值，ω表示激励信号角频率；Aout表示响应信号幅值，φ表示响应信号相角；Yn表示噪声信号幅值，nω表示噪声信号角频率，ψn表示噪声信号初相角；NT表示数字周期。

测试过程中，扫频时间越长，获得测试精度越高。根据所选频率点处的幅频特性，通过最小二乘法得到其他频率点的频率特性。正弦相关分析法对噪声具有良好的抑制作用，测试精度高，常作为其他测试的比较基准，具有良好重复性[9]。缺点是采用扫频信号，因需要多次扫频采样，使得测试时间较长，而且测试过程中，不能够充分激发系统模态，对于频率特性变化剧烈的情况，通过不同频率点最小二乘法获得频率特性会存在不准确的情况。

2.2 谱分析法

谱分析法测试过程中，采用的激励信号为白噪声信号。白噪声信号是一种具有丰富频率成分的随机信号，但实际不存在。因此在测试过程中，一般采用有色噪声替代白噪声，称为伪随机信号。

谱分析法测试过程中，当输入激励信号为理想脉冲时，它将均匀激励被测试系统，从而得到系统的频率特性，采用谱分析法能够一次激励就把选定频带范围的各频率点的频率特性求出[10]。但在实际测试过程中白噪声信号是不可能实现的，因而常采用其他带宽信号如正弦连续扫频信号或者随机噪声信号作为激励信号[11]。谱分析法的测试原理[9]如图3所示：

图3 谱分析法测试原理

在频率特性测试过程中，相关分析法需要伺服机构处于“离线”状态下，即在正弦信号扫频激励下，只有等到输入输出信号稳定以后才能开始计算频率特性，而谱分析法可以实现伺服机构的“在线”快速测试，即在不影响伺服机构正常工作的情况下快速获得系统频率特性。但是频率特性测试过程中，谱分析法的可重复性差，测试的精度不高。

2.3 基于多谐差相信号的测试方法

多谐差相信号(Schroeder Phased Harmonic Signal，简称SPHS)是由美国学者R.Schroeder在20世纪70年代提出的，由若干正(余)弦信号叠加而成，但其叠加方式不同于普通的多频声信号，其性能也更优[12]。基于SPHS信号的测试原理[13]如图4所示。

图4 SPHS信号测试原理

采用相关分析法可以有效抑制噪声干扰，采用SPHS信号作为激励信号的频率特性测试不仅可以缩短测试时间，还可以有效抑制噪声干扰。SPHS激励信号具有如下特点[5]：

1)具有较低的峰峰比。采用SPHS信号作为伺服机构动态测试的激励信号，信号变化比较平稳，能量分布比较均匀，有利于伺服机构动态测试。

2)SPHS信号为周期信号，具有丰富的波形变化。此外，SPHS信号的频谱为离散谱，对噪声干扰能够有效抑制，测试精度高。

3)SPHS信号的周期可以根据需要设定，通过改变周期的大小可以间接改变基频，这样可以通过设置基波的周期将待测试频率点包含到SPHS信号中去，可以实现一次性完成多个频率点的测试，提高频率特性的测试速度。

4)SPHS信号的频谱是等间隔离散分布的，此外SPHS信号的频谱虚部为零。

综上，SPHS信号作为伺服机构的激励信号时，具有一定的优越性。相对正弦相关分析法能够一次性完成对选定频率点的测试，有效提高测试速度，缩短测试时间。相比谱分析法，SPHS作为激励信号变化平稳，有利于伺服机构的动态测试，因频谱离散还能够有效抑制噪声。但是SPHS信号产生比较困难，频谱为离散谱，不能够充分地激励系统模态，对动态特性随频率的连续变化的情况不能够充分的反映。

2.4 基于chirp信号的测试方法

chirp信号是幅值不变，频率随时间作线性变化的连续信号，数学表达式为：

x(t)=Acos(2π(βt+f0)t)

(5)

基于chirp信号的测试原理[14-15]如图5所示，对采集到的激励x(k)和响应信号y(k)进行快速傅立叶变换(FFT)，计算得到复数Y(ωk)/X(ωk)，其绝对值为幅值比，相角为相位差。

图5 chirp信号测试原理

基于chirp信号的测试方法，因一次扫频测试就可完成对所测试频域范围内的频率特性的获取，测试速度快、测试效率高，能够对系统模态充分激励[10]。采样时间与调频脉冲信号扫描时间有关，较正弦相关分析法采样时间大大缩短，因FFT变换能够对噪声有抑制作用，测试过程中也表现出了较好的测试结果，保证快速准确地获得系统频率特性。

本文对伺服机构常见的测试方法进行了分析研究，针对正弦相关分析法测试过程测试时间长，测试频率点较少且不连续，测试频率点对伺服机构的模态激励不够充分；谱分析法测试过程中测试精度低，抗干扰能力和可重复性差；多谐差相信号的测试方法激励信号频谱是等间隔的离散谱不能够对伺服机构动态特性充分反映且信号产生困难。基于chirp信号的测试方法能够充分激励模态，测试速度快。因此选择重复性好且能够对伺服机构频带充分覆盖的chirp信号作为激励信号，采用FFT变换，缩短伺服机构的测试时间，充分激励模态，完成导弹伺服机构的动态性能的测试。

3 软件设计

动态特性测试系统的软件功能设计如图6所示，主要包括系统自检、激励信号产生、数据采集、数据处理和数据管理等功能模块。各模块具体功能为：

1)系统自检模块：通过控制继电器选择通道形成激励—采集闭环回路，检测数据采集卡和激励信号产生、数据采集、数据处理等功能模块是否完好。

2)激励信号产生模块：通过调用底层驱动库函数，控制数据采集卡中写寄存器的时序逻辑操作，产生正弦信号、chirp信号和阶跃信号等激励。将产生激励信号的控制逻辑封装为通用函数库，通过交互界面设置激励信号幅值、起始截止频率等参数，调用相应库函数，产生激励信号。

3)数据采集模块：通过调用底层库函数，控制数据采集卡中读写寄存器的时序逻辑操作，完成采集端口选择、数据采集触发及结果读取等功能。

4)数据处理模块：主要包括数据预处理和计算两部分。数据预处理部分实现采集数据的滤波、野值剔除等操作；计算部分实现频率特性计算，完成正弦相关分析和chirp信号处理。

5)数据管理模块：实现登录人员权限管理、测试数据存储、查询、打印和系统维护等功能。

图6 软件功能模块

测试系统软件流程如图7所示，系统启动后，首先进行用户身份验证，用于用户权限管理和系统操作信息记录；然后开始系统状态自检测操作，主要检测工控机、多功能数据采集卡、放大器电路、信号调理电路、继电器通道选择模块等硬件电路的功能完好性；系统自检正常后，进行测试方法选择，主要有正弦相关分析法、chirp信号方法和阶跃响应法三种测试方法；测试参数设置环节主要完成通道切换选择，激励信号幅值、频率设置，采样频率设置等操作；参数设置完成后开始测试操作，通过激励信号产生模块调用底层板卡驱动，输出需要的激励信号，同步采集系统激励和响应信号并保存；采集结束后，调用数据处理函数完成滤波和计算功能，并绘制结果曲线。

本课题选用Visual Studio软件作为测试系统的开发平台，在该软件平台环境下采用C#语言进行编程，主要实现登录人员记录管理、在线测试和离线分析功能。

1)登录人员记录管理：动态测试软件通过控制权限对特性用户开放，主要包括用户名、密码键入和系统功能选择操作。

2)在线测试功能：在线测试功能主要包括首页系统自检、调频脉冲扫频法、相关分析法和阶跃特性测试等功能模块组成，设计完成的操作界面如图8所示。

图8 测试软件操作界面

3)离线分析：离线分析软件主要用于读取在线测试过程中存储的数据，进行回访分析以及打印等功能，设计完成的操作界面如图11所示。

程序主要用到事件结构以及读取电子表格Excel表格文件函数，通过点击界面的读取数据按钮读取存储的数据文件，并根据前期的存储规则进行数据提取图表显示。

4 实验结果分析

采用RLC电路模拟被测对象伺服机构，其数学模型采用简化的三阶系统数学模型代替，模型如下：

(6)

实验过程中，激励信号幅值设置为3 V，采样频率选择5 kHz，相关分析法测试频率f选择为0.1、0.5、1、5、10、15、20 Hz，基于chirp信号的测试方法测试频带为0.1～20Hz。得到的测试结果分别如图9和图10所示。从中可以看出，本文设计的动态特性测试系统中基于正弦相关分析法和基于chirp信号的系统频率特性测试模块均能够实现伺服系统的频率特性测试，且误差较小。基于正弦相关分析法的频率特性测试结果优于基于chirp信号的系统频率特性测试方法，但测试时间却显著增加。

图9 基于正弦相关分析法的系统频率特性和误差

图10 基于chirp信号的系统频率特性和误差

5 结论

本文设计完成了一种新的伺服机构动态特性测试系统，具备基于chirp信号处理和正弦相关分析的频率特性测试和阶跃特性测试功能。系统硬件平台主要由研华IPC-610L工控机和PCI-1706U多功能数据采集卡，自研信号调理电路和继电器通道选择模块组成；软件部分采用模块化设计思想，将硬件底层驱动进行封装得到激励信号产生和采集模块，采用C#设计友好人机交互界面；数据处理过程中，选择重复性好且能够对频带充分覆盖的chirp信号作为激励，显著缩短测试时间，充分激励模态，同时继续保留传统的正弦相关分析算法作为基准。测试试验表明该系统操作简单，能够圆满完成电液伺服机构的动态测试任务。