CN103115784A - 基于LabVIEW平台的主动悬挂台架试验测控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于LabVIEW平台的主动悬挂台架试验测控系统，包括被测设备、传感器标定模块、信号采集模块、控制信号输出模块、信号预处理模块、测控系统监测模块、控制算法导入模块，上位机，其中传感器标定模块用以对测试所用传感器进行标定；信号采集模块用以采集信号；控制信号输出模块用以输出控制信号；信号预处理模块用以对信号进行预处理；测控系统监测模块用以对采集的数据进行监测；控制算法导入模块用以导入控制算法，建立硬件与软件间的联系。本发明将主动悬挂系统执行器、传感器、控制器及控制算法组建成一套完整的测控系统，极大方便算法调试，缩短了算法调试周期，降低了试验成本，具有很高可靠性。

Description

基于LabVIEW平台的主动悬挂台架试验测控系统

技术领域

本发明涉及一种车辆测控系统，特别涉及一种基于LabVIEW平台的主动悬挂台架试验测控系统，属于车辆部件测控技术领域。

背景技术

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，车辆能自动调节悬挂系统的刚度，因此对车辆主动悬挂的需求日益增加。同时业界对主动悬挂系统的研究也更加深入广泛。对主动悬挂系统来说，产生主动力的作动器种类多种多样，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挂台架试验测控系统十分必要。

但是，目前国内悬挂系统测控领域主要针对半主动、被动悬挂性能分析，尚无完善的主动悬挂测控系统。其次，现有测控系统往往重测轻控，以悬挂性能测试为主，控制功能方面较为薄弱，无法将复杂控制算法与悬挂系统硬件进行组合测试。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，解决主动悬挂的测控问题，可对各种主动悬挂系统的综合性能进行全面测试，并可对主动悬挂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，为主动悬挂系统的开发和改进设计提供设计及验证手段。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于LabVIEW平台的主动悬挂台架试验测控系统，包括：被测设备、传感器标定模块、信号采集模块、控制信号输出模块、信号预处理模块、测控系统监测模块、控制算法导入模块，上位机，其中测控系统监测模块和控制算法导入模块运行在上位机上；

所述被测设备为主动悬挂硬件系统；

所述传感器标定模块用以对测试所用传感器进行标定，保证测量结果的精确性及可靠性；

所述信号采集模块，用以通过传感器采集主动悬挂系统位移、温度、加速度、压力信号，将数据传送至基于LabVIEW平台的上位机上；

所述控制信号输出模块，用以输出PWM信号，高低电平信号，以及模拟信号，对主动悬挂系统硬件部分进行控制；

所述信号预处理模块，用以对输入输出信号进行预处理，包括为传感器提供恒流源、消除偏置，以及放大输出信号功率以增加输出信号的驱动能力；

所述测控系统监测模块用以对采集的数据进行监测，包括实时频谱分析、数值计算、实时显示、存储回放；

所述控制算法导入模块，用以将simulink/stateflow，LabVIEW或者AMESim编写的控制算法导入该主动悬挂测控系统，利用LabVIEW平台识别出算法的输入输出参数，并向用户显示测控系统的所有硬件I/O端口，使用户可以将算法中输入输出参数与硬件I/O端口建立映射关系，从而建立硬件与软件间的联系，将来自硬件输入设备的测量参数输入到控制算法中，执行控制算法后将控制算法输出的控制信号输出到对应的输出端口；

所述信号采集模块包括位移传感器、压力传感器、加速度传感器、温度传感器、模拟信号接口和模数转换器；

所述传感器信号经所述模拟信号接口进入所述模数转换器，所述模数转换器进行模数转换后，将转换后信号传至所述上位机，所述上位机对信号进行分析，包括过压、过温时发出警报信号或切除信号。

所述控制信号输出模块包括，数字I/O接口、PWM信号接口和模拟信号输出接口。

所述上位机具有多核处理器，为整个系统的核心，用以对所采集数据的分析、显示、保存、复现，以及运行控制算法。由于算法的执行对实时性有很高要求，因此基于LabVIEW并行编程技术，利用任务并行化、数据并行化、流水线式等编程模式，可以将控制算法分配到特点的核上进行独立运算，有效地保证算法的执行效率及实时性、准确性。

所述上位机系统包括以下步骤：

1)系统初始化；

2)设置相应测试参数及测试信息；

3)对所要标定传感器类型，传感器进行标定；

4)将控制算法导入主动悬挂台架试验测控系统，建立算法参数与硬件接口间的对应关系；

5)运行主动悬挂台架试验测控系统；

6)对测量数据进行实时采集处理和分析、实时显示、储存回放；

7)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。

本发明的有益效果是：

1)本发明将主动悬挂系统执行器、传感器、控制器及主动悬挂控制算法组建成一套完整的测控系统，可以极大方便算法调试，缩短了算法调试周期，降低了试验成本，具有很高可靠性。

2)本发明对于算法模型具有良好兼容性，可导入由LabVIEW，AMESim或simulink/stateflow算法模型，将算法模型的输入输出与硬件系统的输入输出建立映射关系，并加以实现，改变传统测控系统重测轻控的情况。

3)本发明基于LabVIEW多核优化技术，对任务流和数据流进行并行化处理，有效提高程序执行效率，保证算法执行的实时性和准确性。

4)本发明可完全适用于任何被动悬挂、半主动悬挂、主动悬挂系统的测试工作，测试过程自动化、精度高、重复性好，基于Labview开放平台实现，价格低廉，硬件配置简单，可扩展性强。

附图说明

图1为本发明的硬件系统框图。

图2为本发明功能框图。

图中，1为PWM控制信号，2为簧载质量加速度信号，3为温度、压力、位移、非簧载质量加速度信号，4为压力、温度信号，5为PWM控制信号，6为开关控制信号，7为PWM控制信号，8为液压动力源，9为比例减压溢流阀，10为二位二通阀，11为阻尼阀，12为油气悬架，13为减震器，14为单自由度激振头。

具体实施方式

为使得本发明的上述目的、特征和优点能够更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

本实施例公开了一种基于LabVIEW平台的主动悬挂台架试验测控系统，硬件上主要由六部分组成：多核上位机、信号预处理模块、传感器、液压试验台、主动悬挂系统，PCI信号采集及输出板卡，如附图1所示。其功能框图如附图2所示。

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挂提供激励源，模拟实际道路工况；主动悬挂系统相当于控制算法的执行机构，包括减振器、油气悬挂、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成一个完整闭环系统。

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。将PCI信号采集及输出板卡插在上位机PCI卡槽上，加上基于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。

在油气悬挂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预处理模块消除偏置，传至PCI板卡的模拟信号接口，经模数转换后，传至上位机。

上位机上运行有控制算法导入模块，该模块提示用户将simulink/stateflow，LabVIEW或者AMESim编写的控制算法导入测控系统。导入到系统中后，由于测控软件基于LabVIEW平台，因此可以利用LabVIEW平台的Custom DeviceAPI识别出算法的输入输出参数，并显示给用户。同时，测控软件还会向用户显示测控系统的所有硬件I/O端口，使用户可以方便的将算法中的输入输出参数与硬件I/O端口建立映射关系，从而建立硬件与软件间的联系。在测控过程中，上位机接收到传感器的测量信号后，将这些测量参数输入到控制算法中，并执行控制算法，将控制算法执行后输出的控制信号输出到PCI板卡对应的输出端口。

该主动悬挂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，为整个主动悬挂系统提供动力源；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，实现对主动悬挂的开停功能。由PCI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。

本发明同时也公开了一种基于LabVIEW的主动悬挂台架试验测控方法，该方法步骤为：

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，测试相关信息：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挂台架试验测控系统，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)运行主动悬挂台架试验测控系统，循环执行以下过程，直至完成设定试验内容，系统停止工作，或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：传感器采集的信号传至上位机，上位机执行控制算法，将控制算法执行得到的控制信号输出到被测设备，实现对被测设备的控制，并采集新的输入信号；

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。

本发明上述实施案例软硬件配置如下，软件：LabVIEW 2011，Windows 7，硬件：高性能PC机，NI PCI-6221多路数据采集及信号输出卡，NI-6602PWM信号输出板卡。

本发明实施案例提供的测试系统不仅能满足主动悬挂系统的测试要求，还可以完全兼容半主动及被动悬挂的测试，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。

上述操作流程及软硬件配置，仅作为本发明实施案例，并非对本发明做出任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案的情况下，都可以利用上述方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动或修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对上述实施案例所做的简单修改，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种基于LabVIEW平台的主动悬挂台架试验测控系统，其特征在于，包括：被测设备、传感器标定模块、信号采集模块、控制信号输出模块、信号预处理模块、测控系统监测模块、控制算法导入模块，上位机，其中测控系统监测模块和控制算法导入模块运行在上位机上；

所述被测设备为主动悬挂硬件系统；

所述传感器标定模块用以对测试所用传感器进行标定，保证测量结果的精确性及可靠性；

所述信号采集模块，用以通过传感器采集主动悬挂系统位移、温度、加速度、压力信号，将数据传送至基于LabVIEW平台的上位机上；

所述控制信号输出模块，用以输出PWM信号，高低电平信号，以及模拟信号，对主动悬挂系统硬件部分进行控制；

所述信号预处理模块，用以对输入输出信号进行预处理，包括为传感器提供恒流源、消除偏置，以及放大输出信号功率以增加输出信号的驱动能力；

所述测控系统监测模块用以对采集的数据进行监测，包括实时频谱分析、数值计算、实时显示、存储回放；

所述控制算法导入模块，用以将simulink/stateflow，LabVIEW或者AMESim编写的控制算法导入该主动悬挂测控系统，利用LabVIEW平台识别出算法的输入输出参数，并向用户显示测控系统的所有硬件I/O端口，使用户可以将算法中输入输出参数与硬件I/O端口建立映射关系，从而建立硬件与软件间的联系，将来自硬件输入设备的测量参数输入到控制算法中，执行控制算法后将控制算法输出的控制信号输出到对应的输出端口。

2.根据权利要求1所述的一种基于LabVIEW平台的主动悬挂台架试验测控系统，其特征在于，所述上位机具有多核处理器，基于LabVIEW并行编程技术，利用任务并行化、数据并行化、流水线式编程模式，将控制算法分配到特点的核上进行独立运算，有效地保证算法的执行效率及实时性、准确性。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于LabVIEW平台的主动悬挂台架试验测控系统，其特征在于，所述信号采集模块包括位移传感器、压力传感器、加速度传感器、温度传感器、模拟信号接口和模数转换器；所述传感器信号经所述模拟信号接口进入所述模数转换器，所述模数转换器进行模数转换后，将转换后信号传至所述上位机，所述上位机对信号进行分析，包括过压、过温时发出警报信号或切除信号。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于LabVIEW平台的主动悬挂台架试验测控系统，其特征在于，所述控制信号输出模块包括，数字I/O接口、PWM信号接口和模拟信号输出接口。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于LabVIEW平台的主动悬挂台架试验测控系统，其特征在于，在上位机PCI卡槽上插入PCI信号采集及输出板卡，信号采集模块将数据传送至PCI板卡的模拟信号接口，经模数转换后，传至上位机。

6.根据权利要求5所述的一种基于LabVIEW平台的主动悬挂台架试验测控系统，其特征在于，控制算法执行后输出的控制信号输出到PCI板卡对应的输出端口。

7.一种基于LabVIEW的主动悬挂台架试验测控方法，该方法使用权利要求1所述系统对主动悬挂台架试验进行测控，包括以下步骤：

1)系统初始化：包括对传感器标定模块、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)设置测试参数；

3)传感器标定，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，并将这些值存入相应的文件中；

4)将控制算法导入主动悬挂台架试验测控系统，建立算法输入输出参数与硬件I/O接口间的对应关系;

5)运行主动悬挂台架试验测控系统，循环执行以下过程：传感器采集的信号传至上位机，上位机执行控制算法，将控制算法执行得到的控制信号输出到被测设备，实现对被测设备的控制，并采集新的输入信号；

6)对测量数据进行实时采集处理和分析，包括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，以及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；

7)对测量数据进行实时存储，将采集的信号以LabVIEW特有的tdms文件格式储存在本地硬盘上，或将数据储存在数据库中；

8)对测量数据进行实时显示及回放，包括将采集的信号在时域和频域上进行实时显示。

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