基于LabWindows/CVI的舵機溫度場測試系統

牛 振，楊 雷，張 泓

(1.中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009;2.駐中國空空導彈研究院軍事代表室，河南 洛陽 471009;3.空軍駐黑龍江地區軍事代表室，哈爾濱 150001)

0 引 言

舵機是導彈制導與控制系統的執行機構，它依據制導系統的控制信號，克服氣動鉸鏈力矩和彎曲力矩，驅動舵面以一定角速度偏轉，產生控制力，改變彈體的飛行姿態，從而控制導彈的飛行軌跡。舵機在空中的工作性能直接影響導彈的戰斗性能和制導精度［1］。

目前，國內的舵機溫度場測試系統或是最大加載力矩太小，或是不能實現加載與空載之間的自動轉換。本文設計的舵機溫度場測試系統通過氣動控制裝置實現舵機的自動裝夾與卸載以及力矩的自動加載與卸載，最大加載力矩70 N·m，四個通道可同時或獨立加載，可以實時檢測舵機的輸出力矩，不需打開溫箱，就能完成舵機在全溫狀態下的全部性能測試，并將測試結果實時顯示在舵反饋曲線圖的下面。

1 系統工作原理

系統的工作過程是在測控計算機的統一控制下完成的。系統的原理結構框圖如圖1 所示。在溫箱達到設定的溫度后，測控計算機首先設置舵機的工作電壓，通過GPIB 接口發送控制命令給電源，為被測舵機供電，之后對舵機進行自檢，在自檢正常后開始性能測試。

圖1 系統原理結構框圖

空載性能測試時，計算機通過舵控信號發生和通訊單元向被測舵機發出控制指令和測試任務對應的信號并通過數據采集單元接收舵反饋信息，然后將反饋數據繪制成舵機實際的運行曲線，同時進行空載角速度、相移、超調量、穩態誤差等動態參數的計算并將結果顯示在曲線圖的下面，便于用戶觀察、分析和判斷。

加載性能測試時，首先操作氣動控制裝置控制裝夾平臺完成舵機的自動裝夾，然后控制加卸載轉換機構完成指定力矩的加載，測控計算機向被測舵機發送加載測試任務對應的信號，接收舵反饋信息，繪制舵反饋曲線，將相應參數的計算結果顯示在曲線圖的下面，同時實時采集機械加載裝置反饋的舵軸轉角和力矩信息。

當全部測試任務完成后，系統通過GPIB 接口控制電源下電，同時通過氣動控制裝置完成力矩的卸載和舵機的裝夾卸載，最后關閉溫箱。

2 測控計算機設計

2.1 測控計算機硬件設計

測控計算機硬件是基于PXI 總線搭建而成的，PXI 總線是在PCI 及CompactPCI 基礎上組合而成的一個構架，具有高達132 MB/s(32 bit，33 MHz)的峰值數據吞吐率。采用模塊化設計方法，能夠根據不同的測試對象和要求進行安裝和拆卸，快速靈活地配置和搭建測試平臺［2］。

由圖1 可知，測控計算機主要由計算機、供電單元、舵控信號發生和通訊單元、信號采集與處理單元、轉角監測單元組成。主要組成單元的構成及功能如下:

前瞻性納入2015年6月—2017年2月漢中市中心醫院收治的穩定期哮喘患者100例，均符合支氣管哮喘防治指南（2016版）的診治標準［6］，并排除患有心臟病、肝病、腎病和代謝性疾病的患者。按隨機數字表法平均分為觀察組和對照組。本研究由漢中市中心醫院倫理委員會批準實施，所有入組的患者均簽署了知情同意書。

(1)計算機:整個系統的控制中心，通過GPIB 接口實現電源的程控開關與回讀，通過PXI接口實現舵控指令的發送、舵反饋信息的采集以及力矩與轉角信號的實時檢測。由NI 公司的PXI－1042Q 機箱和PXI－8106 控制器組成［3］。

(2)供電單元:用于給舵機供電，有80 V 功率電源和27 V 控制電源。計算機通過GPIB 接口完成電壓的設置輸出和電壓與電流的回讀。

(3)舵控信號發生和通訊單元:輸出舵機測試所需的舵控信號，接收舵反饋信號，通過多功能串口卡PXI－8433/2 實現計算機與舵機之間數字信號的通訊及信息交換。

(4)信號采集與處理單元:完成4 路模擬舵反饋信號和力矩信號的高速高精度采集及信號的隔離和差動/單邊變換［4］。主要由NI 公司的多功能數據采集卡PXI－6259 實現，具有32 路輸入和4路輸出通道，單通道采樣率高達1.25 MS/s［5］。

(5)轉角監測單元:接收機械加載裝置中光電編碼器輸出的4 路舵偏角脈沖信號，從外部監測舵機的實際工作狀態，由定時/計數卡PXI－6602進行差動計數來實現。

2.2 測控計算機軟件設計

2.2.1 多線程技術

LabWindows/CVI 將功能強大的C 語言與測控技術結合，具有靈活的交互式編程方法和豐富的庫函數［6］。本文以LabWindows/CVI 作為軟件開發平臺，遵循模塊化開發思想開發了測控計算機軟件［7］，該系統具有很好的擴展性。

測試軟件是整個測試系統運行的中樞，在設計中采用了多線程技術，多線程是指操作系統支持一個進程中執行多個線程的能力。多線程程序使用主線程創建、顯示并運行用戶界面，次線程運行其他需要間歇處理的任務［8］。

軟件含有完成不同功能的多個線程，將用戶界面作為主線程，將數據采集、數據計算分析、數據實時顯示作為次線程。由于舵機測試的不定時性，采用線程池來執行次線程中的代碼。因此，在一段時間內能并行完成更多任務，既加快了系統的反應速度，又提高了執行效率［9］。

2.2.2 軟件功能及流程

根據系統測試需求，采用模塊化設計方法，軟件測試流程如圖2 所示。

圖2 軟件測試流程圖

軟件主要功能如下:

(1)系統自檢:對測控計算機硬件模塊的功能、通道配置情況及可用性進行測試，以確保系統在舵機測試時所產生數據的有效性和可信性。

(2)測試信息設置模塊:設置舵機編號、測試溫度、濕度、測試人員與測試日期等信息。

(3)電源設置模塊:設置控制電源和功率電源的輸出電壓以及輸出保護電流等信息。

(4)舵機自檢模塊:完成舵機的自檢，包括上電自檢、地面自檢和發射自檢，初步對舵機的工作狀態進行判斷。

(5)性能測試模塊:軟件的核心部分，完成舵機空載和加載性能測試，測試項目有零位、角速度、穩態誤差、頻率特性和時域特性等，在測試的同時，檢測加載力矩和舵軸轉角信號，對舵機的實際工作狀態進行判斷。為了便于研究舵機在特定條件下的工作特性，可以根據實際需求，任意設置舵控信號的類型、幅值、頻率和偏移。

(6)數據管理模塊:性能測試時將舵反饋曲線和測試結果進行顯示、記錄、保存和打印輸出。

3 氣動控制裝置設計

為了提高系統測試的自動化程度，設計了氣動控制裝置，為舵機的自動裝夾、裝夾卸載、力矩加載、力矩卸載以及力矩加卸載轉換提供動力，其原理圖如圖3 所示，由開關閥、調壓閥、安全閥、不銹鋼管與壓力表等組成。

圖3 氣動控制裝置原理圖

4 機械加載裝置設計

利用機械加載裝置模擬空中負載作用，實現對舵機的加載。該裝置可以實現舵機的自動裝夾、裝夾卸載、力矩加載、力矩卸載以及加卸載測試之間的自動轉換，同時輸出加載力矩和舵軸轉角信號。由裝夾平臺、加卸載轉換機構、弓字彈性加載器、聯軸器、力矩測試單元和光電編碼器等構成，其結構示意圖見圖4。

(1)裝夾平臺:實現舵機的裝夾固定與定位調整，由舵機工藝底座、脹緊套、拉桿軸、位置開關、直線軸承和夾緊氣缸等組成。

(2)加卸載轉換機構:實現力矩加載與卸載之間的自動轉換，由氣缸、離合器、推力杠桿撥叉、行程開關和行程開關支架板等組成。

(3)弓字彈性加載器:舵機加載測試的加載剛度為2.3 N·m/(°)，精度為1%，同時溫箱體積有限，溫度變化范圍較大，傳統的一字加載器無法同時滿足這些要求，本文設計的小尺寸弓字彈性加載器，彈性桿選用45CrNiMoVA 材料，同時進行特殊的工藝處理，大大提高了材料的應力特性。

圖4 機械加載裝置結構示意圖

該加載器由彈性桿、機架、主軸和聯接板等組成。每通道有4 組共16 根彈性桿，桿長120 mm，直徑5.6 mm，桿間距18 mm。加載測試時，彈性桿根部受力較大，將根部加粗，減少了應力集中。

5 系統應用與分析

系統設計完成后已被應用于多型號導彈舵機的研制，某型舵機在高溫條件下的主要性能測試數據如表1 所示。其中，前3 項是在空載條件下的測試結果，其余均在加載條件下完成。

表1 舵機測試數據

6 結 論

基于LabWindows/CVI 的舵機溫度場測試系統可以滿足舵機高低溫加載測試的需要，能更真實地模擬導彈在空中的工作環境，在地面研制階段就能對舵機在空中的工作性能進行考核和驗證。舵機試驗表明:該系統性能優越、工作可靠、操作方便、自動化程度高，可為舵機研制提供有力保障。

［1］梁曉庚，王伯榮，余志峰，等.空空導彈制導控制系統設計［M］.北京:國防工業出版社，2006.

［2］鄭竑宇，董德新，賈明永.基于PXI 總線的紅外導引頭性能測試系統設計［J］.航空兵器，2010(4):50－53.

［3］PXI Specification［M］.PXI Systems Alliance，2000.

［4］趙弘，趙毅鑫.基于虛擬儀器的工業CT 無線自動加載測試系統［J］. 儀器儀表學報，2012，33(8):1753－1757.

［5］岳宏達，何衛國，曾漫.基于PXI 總線的舵機綜合性能測試系統［J］. 計算機測量與控制，2013，21(9):2339－2341.

［6］龐麗娟，陶小亮.基于LabWindows/CVI 的測試設備設計與研究［J］.國外電子測量技術，2014，33(6):78－80.

［7］孫曉云.基于LabWindows/CVI 的虛擬儀器設計與應用［M］.北京:電子工業出版社，2010.

［8］楊志興.基于合成儀器的頻譜分析儀構建方法及實現［J］.儀器儀表學報，2013，34(12):59－62.

［9］胡浩，李保剛.空空導彈發控綜合測試系統設計與實現［J］.電子測量技術，2014，37(11):75－79.