基于VXI总线的电液伺服阀动态特性测试系统

第一部分：主要作者及研究发表的信息

本研究题为《基于VXI总线的电液伺服阀动态特性测试系统》，由李文宏、裘丽华和王占林共同撰写，作者单位为北京航空航天大学电气工程与自动化学院。本论文发表在《同济大学学报》第30卷第10期，出版时间为2002年10月。

第二部分：研究背景

电液伺服系统广泛应用于航天飞行器的飞行控制系统，其性能直接影响飞行器的飞行品质。作为电液伺服系统的核心组件，电液伺服阀的动态特性是影响整个飞行控制系统性能的关键。因此，精确测试并分析电液伺服阀的动态特性具有重要意义。然而，传统的测试系统因设备配置复杂导致动力学特性变化较大，又因人为因素和计算误差的存在，造成测试精度不足，无法准确测定关键参数（如-3dB频率和90°相移频率）。因此，研究新型测试系统以提高自动化程度和测试精度成为重要的研究方向。

VXI总线作为一种当代先进的测试测量仪器总线，因其高速、高精度、易组建和扩展的特性受到重视。本研究结合VXI总线仪器和图形化编程软件（如HP VEE软件），提出了基于虚拟仪器的新型测试系统，以期通过改进硬件和测试方法，提高电液伺服阀动态特性测试的精度和效率。

第三部分：研究流程及实验方法

本研究设计并实现了基于VXI总线的电液伺服阀动态特性测试系统，其组成包括液压测试和VXI总线测试模块两大部分，详细流程如下：

1. 液压测试模块
液压测试模块负责电液伺服阀输入信号与输出特性的测试。模型采用阶跃响应、脉冲响应等时域响应曲线，以及幅频特性、相频特性等频域响应曲线进行特性分析：
- 输入信号采用电液伺服阀线圈回路的电流信号，结合串联精密电阻将电流信号转换为可处理的电压信号（-10～10V）。
- 输出信号通过动态缸的无载速度信号反映电液伺服阀的流量变化，从而间接测试其动态响应特性。

2. VXI总线测试模块
VXI总线测试系统由多个模块构成，实现了复杂信号的生成、数据同步采集和处理，具有以下特点：
- 系统硬件：采用C尺寸13槽机箱E8403A，并配备Agilent公司先进的VXI总线控制器和多功能波形发生器。关键组件包括HP-1441（多功能波形发生器）、HP-1432（32bit模拟量采集板，支持多通道同步采集）、HP-1413（模拟输入板），确保信号采集与计算的高效性和准确性。
- 信号处理：HP-1432板卡用于A/D转换并同步采集信号，其高频性能（频带宽度高达2.6MHz）显著提高了采样的时序精度。动态信号和滤波电路的优化配置提高了幅频特性和相频特性测试的准确度。

3. 动力学特性分析
研究从硬件及算法两方面提升测试系统的动态性能：
- 针对硬件优化：提高动态缸的固有频率（ωn），方法包括增大活塞有效面积、减小活塞质量及油缸体积等。
- 关注A/D采样精度和数学算法的改进：32bit A/D芯片结合傅立叶变换算法，以及在Matlab平台上运行的相关分析程序库，用于信号校正和特性曲线绘制，以提高数据处理精度。

4. 自适应测试算法
测试系统采用自适应寻优正弦信号算法（adaptive optimization sinusoidal signal algorithm），通过优化信号频率和幅度解决非线性系统建模困难的问题，从而精确求得响应曲线中的关键频率点（-3dB频率和90°相移频率）。此外，大量测试自动化功能由HP-VEE开发完成，减轻了测试人员的操作复杂性。

第四部分：研究结果

通过实验验证，该测试系统的设计合理，性能优越，经优化后的动态缸具有较高的固有频率（约600Hz），保证了实验在100Hz频段内的可靠性；动态缸与流量传感器匹配后输出特性良好，测试得到了精确的幅频曲线和相位曲线。此外，系统分析了多个关键影响因素：
1. 低通滤波电路：提高了激励信号的去噪能力；
2. 动态缸频率特性：系统在满足实验需求基础上进一步提升了响应速度；
3. A/D采样速率：有效克服了数据非同步导致的幅相误差；
4. 数学算法：傅立叶变换和相关分析方法提高了数据处理精度。

第五部分：研究结论及价值

通过上述研究流程及测试验证，该系统在以下几个方面取得了显著进展：
1. 测试精度提高：采用先进硬件，结合适配的算法与优化后的实验设计，大幅减少了测试过程中幅值和相移误差。
2. 自动化程度提升：通过VXI总线的模块化设计和软件实现，高度集成的虚拟仪器测试系统取代了传统测试平台，提升了实验效率并节约了资源。
3. 应用前景广阔：该系统适用于电液伺服阀动态特性的精确测试，为飞行控制系统关键部件的研发提供了重要工具和支持，也为其他需要高精度测量的领域提供了类似的测试解决方案参考。

第六部分：研究亮点

本研究具有以下显著亮点：
1. 创新性：首次结合VXI总线技术和自适应信号算法用于电液伺服阀动态特性分析。
2. 高效性：通过高频硬件和自动化算法实现了信号采集、处理和分析的全过程优化。
3. 可扩展性：硬件及软件框架支持后续模块化升级，为扩展应用场景提供了广阔的空间。

第七部分：其他内容

研究中总结并提出了影响测试系统动态特性的若干关键因素（如滤波电路设计、动态缸频率特性和数学算法改进等），同时验证了其改善方案的有效性，为今后类似系统的优化提供参考。本论文还引用了多部权威书籍和文献，详细分析了伺服控制和测试系统领域的关键技术，这不仅突出了论文的学术价值，也为后续研究提供了可靠的理论支持。