（电力电子与电力传动专业论文）新型飞机供电参数测试系统的研究与设计.pdf

西北工业大学硕士学位论文八日s trac r abs tract a i r c r a f t e le c t r i c a l p o w e r s u p p l y s y s t e m s ( a e p s s ) p l a y a n i m p o r t a n t r o l e i n t h e m o d e r n a i r p l a n e . i t i s v e r y i m p o r t a n t f o r s t u d y i n g a e p s s t o m e a s u r e t h e p a r a m e t e r s o f a e p s s a c c u r a t e l y a n d r a p i d l y . t h i s p a p e r d e s c r ib e s t h e t h e o r i e s a n d m e t h o d s e m p l o y e d i n m e a s u r i n g a e p s s p a r a m e te r s , d e v e l o p s t h e s y s t e m f o r m e a s u r i n g a e p s s p a r a m e t e r s o n b a s e o f t h e t h e o r y o f v i r t u a l i n s t r u m e n t . t h e m a i n w o r k s o f t h i s p a p e r a r e f o ll o w e d : a n a l y s i n g t h e s a m p l e d d a t a f o r m e a s u r i n g s te a d y - s t a t e p a r a m e t e r s a n d t r a n s i e n t p a r a m e t e r s a n d t h e q u a l i t y o f a e p s s w h i c h a r e d e s c r ib e d i n mi l - s t d - 7 0 4 c a n d h b 6 4 4 8 - 9 0 . d e v e l o p i n g t h e s o f t w a r e o f t h e s y s t e m f o r m e a r s u r i n g a e p s s b y m e a n s o f s o f t w a r e e n g i n e e r i n g . k e y w o r d s :a i r c r a f t e l e c t r i c a l p o w e r s u p p l y s y s t e m , d a t a a c q u i s i t i o n , d ig i t a l s i g n a l p r o c e s s i n g , n u m e r i c a l a n a l y s i s ,v i r t u a l i n s t r u m e n t , s o f t w a r e e n g i n e e r i n g 西北工业大学硕士学位论文第一章 飞机供电参数测试系统的概述 第一章 飞机供电参数测试系统的概述 1 . 1飞机供电系统的概述 飞机供电系统是现代飞机的一个重要组成部分。 该系统和用电设备组成了飞 机的电气系统。飞机供电系统指的是电能的产生、 控制、 变换和输配的整套装置 所组成的一个完整系统， 它的作用是向飞机上所有用电设备连续地提供满足规定 技术性能的电能，以保证飞机可以安全飞行和完成运输或作战任务。 1 . 2飞机供电系统的组成和作用 飞机供电系统可分为电源系统和配电系统两大部分。 其一，电 源系统( 又称发电 系统) ， 按其用途可以 分为主电 源、 二次电 源和应 急电源， 有时还包括辅助电源。飞机上采用的电源系统的类型随着飞机类型及其 性能、 任务要求以及用电设备的不同而有所不同。目前国内外正在使用的飞机电 源系统是多种多样的，有低压直流电源系统， 恒速恒频交流电源系统， 变速恒频 交流电源系统，混合电 源系统，变频交流电 源系统，以及高压直流电源系统等。 其二，配电系统由配电网络、配电装置及电网保护装置等组成， 它的作用是 将电源所产生的电能传输和分配到飞机上各用电设备上去。 配电方式一般可分为 集中式、分散式和混合式配电系统。 1 . 3飞机供电系统性能参数的测试 1 . 3 . 1飞机供电系统的工作环境状况 飞机供电系统的工作条件很大地不同于地面设备。飞行高度、 速度、 机械过 西北工业大学硕士学位论文 第一章 飞 机供电 参数侧试系统的概述 载及在空间的任意位置对供电系统的工作都有影响。由于有着特殊的工作条件， 因此对系统提出了一系列的技术要求，它的一些共同的基本要求为: a ) 飞机供电系统的重量和尺寸要小，这样可使飞机的有效载荷增加。 b ) 飞机供电系统的工作要求可靠，直接关系到飞机的安全和战斗力的发挥。它 要求不受周围介质条件的影响。因为飞机可能处于不同的飞行高 度、大气温 度下，一般在一 5 5 到+ 6 0 之间变化， 大气压力可以从海平面的7 6 0 m m h g 变 化到2 0 0 0 0 米高度的4 1 m m h g ，周围空气的相对湿度在2 0 15 0c 温度下可达到 9 5 一9 8。 c )飞 机供电 系统工作时要 求不受空间 位置、 速度和加速度的影响。 例如飞机作 机 动飞 行时， 设 备 元 件可以 受到 强度 达l o g 的 长时 间 加 速度作 用， 飞 机翻转 时，设备应能正常工作 ，有工作液体的设备 ( 蓄电池等) ，液体不应溢出。 还有由于发动机工作时产生的振动以及飞机着陆时受到撞击，电气设备元件 应能承受l o g 以 上的 振动强度。 以上仅列出了一些基本要求， 对整个供电系统及其设备元件来说是远远不够 的，对每一个系统或设备都有一个专门技术规范。 这里引用的数据仅仅为了说明 撼 机供电系统及飞 机电气设备工作的特殊环境， 其中一些要求， 对地面装置来说， 往往是没有意义的，然而对于航空设备来说，这些要求可能起到决定性作用。 1 . 3 . 2飞机供电系统的性能参数 根据飞机供电 系统性能参数的测试标准 m i l - s t d - 7 0 4 c和飞机供电 系统性能 参数的数字式测试方法 h b 6 4 4 8 - 9 0 的要求， 对飞机供电 系统的各项性能参数进行 全面的测试。其具体性能参数如下: 1 .3 . 2 . 1稳态系统的性能参数 a )三相稳态电压、电流、 频率、 任意两相间的相位差、 相间不平衡度、 功率、 功率因数等。 西北工业大学硕士学位论文 第一章 飞机供电参数测试系统的概述 电压波形参数。单次谐波含量、总谐波含量、波峰系数、 偏离系数等。 频率、频率调制量、频率调制频谱、频率漂移量、频率漂移率。 直流电压、直流电流、直流电压脉动量、直流电压脉动频谱。 、一.尹、，了干 nccd 1 .3 . 2 . 2瞬态系统的性能参数 a ) 交、直流电压的浪涌分析。测量加、卸载过程中的电压浪涌。 b )交、直流过压或欠压参数的分析。 c 在交流加、卸载过程中，瞬态频率的分析。 d )交流过频或欠频参数的分析。 除此以外，还有其他一些性能测试项。 1 . 3 . 3飞机供电系统性能参数的测试要求 根据 m i l - s t d - 7 0 4 c( 飞机供电 特性及对用电设备的要求的测试标准)和 h b 6 4 4 8 - 9 0( 飞机供电 系统性能参数的 数字式测试方法)两 个标准的 有关规定， 进行飞 机供电系统性能参数的测试。 使用单通道采样频率最高为2 mh z 的信号采 集卡。 为 适应供电 性能 参 数多 通 道同 时 厕量 和单 通 道的高 速测量以 及不同 参 数的 测 量要求，测试设备应具有以下四种基本采样方式: a )三 路 通 道同 时 采 样。 为 了 保 证 交 流 三 相电 压同 时 进 行 采 样， 信号 采 样 频 率不 低于 1 0 0 k h z 。可测量交流稳态电压、电流、相移、三相电压不平衡、直流 瞬态电压，电流等参数。 b )单 路 通 道高 速 采 样。 为 了 采 集高 速 变 化的 信号 ， 采 样 频 率 不 低 于1 m h z ， 可 测量直流稳态电压脉动等参数。 c )瞬 态多 路 通 道同 时 采 样。 为了 保 证 多 通 道 信号 同 时 进行 采 样， 采 样 通 道不 能 少于1 2 路， 信号采样频率不低于3 0 k h z 。可测交流电压、电流;直流电压、 电流等参数。 d )稳态多 路 通道 顺次 采 样。 为了 计 算稳态多 通道信号的 有 效 值采用多 路通道轮 西北工业大学硕士学位论文第一章 飞机供电参数测试系统的概述 流采集信号的方式。 1 . 4飞机供电参数测试系统的历史渊源及现状。 1 . 4 . 1飞机供电参数测试系统的历史 为了设计更为可靠的飞机供电系统，我国很早就进行了 这方面的研究。本人 的导师( 史延东老师) 所在的研究组从 1 9 9 1年，依据供电 参数测试标准国军标 g j b - 1 8 1即美国军标 m i l -s t d - 7 0 4 a , 开始进行飞机供电参数测试系统的研究和 开发。 他们确定了 研制基于计算机的数字化测量测试仪器即 虚拟仪器 v i )的发 展方向， 经过近两年的深入研究， 于1 9 9 3 年顺利完成该项课题的研究。 他们设计 开发出在当时处于国内领先水平的飞机供电参数测试系统。该系统在国内许多军 工单位进行了广泛的应用，并取得满意的效果。 1 . 4 . 2飞机供电参数测试系统的现状 当世界进入二十一世纪， 科学技术日新月异。 飞机制造技术水平的不断提高， 以及航空电子设备的不断增加， 对供电系统的要求也不断的提升。 原先开发的飞 机供电参数测试系统， 虽然在一定范围内 仍能满足需要， 但是也逐渐落后了，需 要加以改进，以满足新形势下的需求。 由于9 0 年代初的计算机发展的 水平的限制， 开发的飞 机供电参数测试系统的 软件采用d o s 的操作平台。而 现在主流计算机c p u 己 经发展到p e n t i u m i v ，内 存己 有2 5 6 m 以上。 在d o s 的操作平台，由 于受到内 存的限制， 测试数据文件长度不能 超过2 5 6 k ， 使得在计算某些测试项目 时， 不得不对采样速率和测试计算方法进行 取舍， 这在一 定的程度上， 影响了测试数据的准确性。同时测试系统软件也由于 内存和硬件平台计算速度的限制，大量的可以用图像表示的结果只能用数字显 示，无法发挥现代计算机系统的巨大效能。因此开发基于w i n d o w s 的操作平台的 新一代飞机供电 参数测试系统软件，以达到更高速的运算， 完善的功能以及更友 好的界面，就显得日益迫切。 另外，因为飞机供电系统测试标准的制定日益完善和不断发展，如美国军用 西北工业大学硕士学位论文第一章 飞机供电参数测试系统的概述 供电系统标准已经从m i l - s t d - 7 0 4 发展到m i l - s t d - 7 0 4 e ， 所以需要开发一套可不 断扩展的数据结构。 这样可以大大降低开发针对不同标准测试软件的工作量，以 及软件升级的费用。 还有，随着计算机运算速度的大幅提高，为了获得更高的传输速度，计算 机总线结构也在不断的发展。 原先开发的飞机供电参数测试系统的数据采集卡所 采用的e i s a 总线， 也己 逐渐淘汰。 新一代飞机供电参数测试系统的硬件环境将基 于p c i 总线，以提高数据传输速度，解决整个测试系统中的瓶颈问题，从而提高 数据采集速度，获取更多的数据，提高测试精度来满足需要。 西北工业大学硕士学位论文第二章 飞 机供电参数测试系统的总体设计 第二章 飞机供电参数测试系统的总体设计 2 . 1飞机供电参数测试系统设计方案概况 飞机供电参数测试系统的设计，采用基于工控计算机的数字化测量测试仪 器即称之为虚拟仪器 ( v i r t u a l i n s t r u m e n t s 简称v i ) 的技术。如下图: 一 卞一 侧试软件 匕it * y1 平咪帐鹅粼01 0 0 0 0 1 0 田1 0 0 0 0 几百 体积 大型中型中小型中小型 标准软件架构 无v p p规定的无已规定 模块化 非是非是 e mi 屏蔽 任选已规定板专用模块专用 系统费用 高中高低中低 2 . 2 . 2 . 1 p c 总线插卡型虚拟仪器 ( p l u g i n p c d a q ) p l u g in p c d a q ( d a ta a c q u is i ti o n ) ， 这 种方 式 借 助于 插入 计 算 机内 的 数 据 采 集 卡与 专 用的 软 件 如i a b v ie w 相 结 合 ( 注: 美 国n i 公 司 的。 b v ie w 是 图 形 化编 程 工 具， 它可以 通过各种控件自己 组建各种仪器) 。 程序员也可以 使用其他的编程工具， 如v is u a l c + + , v is u a l b a s ic , c + + b u il d e r , d e lp h i , i a b v ie w / c v i 去 编写 测 试系 统软件。它可以充分利用计算机的总线、 机箱、电 源及软件的便利。正因为如此 它也受到p c机总线传输速度的限制， 另外p c机还存在机内电源功率不足， 机箱 内部的噪声电平较高， 插槽数目 也不多， 插槽尺寸比较小， 机箱内无屏蔽等缺点。 2 . 2 . 2 . 2 g p i b 总线方式的虚拟仪器 g p i b ( g e n e r a l p u r p o s e i n t e r f a c e b u s ) 技 术 是i e e e 4 8 8 标 准 的 虚 拟 仪 器早 期的 发 展阶段。它的出现使电 子测量独立的单台 手工操作向 大规模自 动测试系统发展， 典型的g p i b系统由一台p c机、一块g p i b接口 卡和若干台g p i b形式的仪器通 过g p i b电缆连接而成。在标准情况下，一块g p i b接口可带多达1 4 台仪器，电 缆长度可达4 0 米。 g p i b 技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的 西北工业大学硕士学位论文第二章 飞机供电 参数测试系统的总体设计 人工操作方式，可以 很方便地把多台仪器组合起来，形成自 动测量系统。g p i b 测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求较高， 但 对计算机传输速度无特殊要求的状况。 2 . 2 . 2 . 3 v x i 总线方式虚拟仪器 v x i ( v m e b u s e x t e n s io n f o r i n s tr u m e n ts ) 总 线是 一 种高 速计 算 机 总 线v m e 总 线在 v i 领域的扩展，它具有稳定的电源，强有力的冷却能力和严格的 r f i / e mi 屏蔽。由 于它的 标准开放、结构紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块 可重复利用、众多仪器厂家支持的优点，很快得到广泛的应用。经过十多年的发 展， v x i 系统的组建和使用越来 越方便， 尤其在组建大、中 规模自 动测量系统以 及对速度、 精度要求高的场合， 有其他仪器无法比 拟的优势。 然而，组建v x i 总 线要求有机箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造价比较高。 2 . 2 . 2 . 4 p x i 总线方式虚拟仪器 p x i ( p c i e x t e n s io n f o r i n s t r u m e n t a t i o n ) 总 线方式 是p c i 总 线内 核 技术 增加了 成 熟的技术规范和要求才形成的，并增加了多板同步触发总线的技术规范和要求形 成的，同时增加了多板发总线，以使用于相邻模块的高速通讯的局总线。p x i 有 高 度可扩展性。p x i 规范分三个部分:电 气扩展，机械扩展，软件扩展。p x i 一 般具有8 个扩展槽，而台式p c i 系统只有3 - 4 个扩展槽。 通过使用p c i -p c i 桥 接器，p x i 可扩展到2 5 6 个扩展槽。台 式p c的性能价格比 和p c i 总线面向 仪器 领域的扩展优势结合起来，将形成未来的虚拟仪器平台。 综上所述，虚拟仪器的发展取决于三个重要因素。 a )计算机是载体。 b )软件是核心。 c )高 质量的a / d采集卡及调 理放大器是关键。 西北工业大学硕士学位论文 第二章 飞 机供电 参数测试系统的总体设计 2 . 3 虚拟仪器的发展过程 虚拟仪器的有两个不同的发展方向: g p i b - - v s i -p x i 总线方式( 适合大型高精度集成系统) 。 g p i b于 世，v x i 于 1 9 8 7 年问世，p x i 于 1 9 9 7 年cpl 世。 p c插卡一并行口 式一串口u s b方式 ( 适合于普及型的 廉价系统， 应用发展前景) 。p c插卡式于 8 0 年代初问世，并行口方式于 1 9 9 5 串口u s b方式于 1 9 9 9 年问世。 1 9 7 8 年( p7 0a 有广阔的 年问世， 2 . 4虚似仪器与传统仪器的比 较 、，j. bg 支徽 虚拟仪器传统仪器 开发和维护费用低高 技术更新周期0 .5 - 1 年5 - 1 0 年 关键软件硬件 价格低昂贵 维护开放灵活与计算机同步。 可重复用和重配置。 费用较高。 备注可用网络联络周边各仪器只可连有限的设备 由 上可见， 采用虚拟仪器技术可以更快地，更好地，更经济地设计和开发飞 机供电参数测试系统。 2 . 2 . 5虚似仪器的现状和未来 无论哪种v i 系统，都是将硬件仪器 ( 调理放大器、 a / d卡) 搭载到笔记本电 脑、台式p c或工作站等各种计算机平台上， 加上应用软件而构成的，实现了用 计算机的全数字化的采集测试分析。因为 vi 发展完全跟计算机的发展同步，所 以显示出 v i 的灵活性和强大的生命力。虚拟仪器的崛起是测试仪器技术的一次 “ 革命” ，是仪器领域的一个新的里程碑。未来的v i 完全可以筱盖计算机辅助测 试 ( c a t )的全部领域。几乎能替代所有的模拟测试设备.它的重要意义在于尚 是一块处女地，有待我们去开拓，它有许多未知部分有待大家去填补。虚拟仪器 西北工业大学硕士学位论文第二章 飞 机供电 参数测试系统的总体设计 b ) 飞机供电参数测试系统，是一个较小的系统。综合经济因素和技术因素。采 用p l u g i n p c _ d a q ， 可以 节省较多的成本。 c )飞机供电参数测试系统，要求的精度很高，要求测试时采样频率很高，以得 到更多的数据用于数据分析。因此要求提高数据从外设传输到内存的速度。 采用基于p c i 总线的数据采集卡。这就使它在总线传输上具有优势 ( 1 3 2 m b y t e / s ) o d )采用p l u g i n p c _ d a q 的另一个优势就是它的零部件和软件可以从支持p c 机的 上千供应商那里得到。 e )由于p l u g i n p c _ d a q 尺寸小，它提供了 可以 作为便携式，台 式和机柜式安装 的通用平台。 f )现在主流计算机c p u 己 经发展到p e n t i u m i v ，内 存己 有2 5 6 m 以上。 e i s a 总线日 渐没落， p c i 总线结构己 经成为主流。其总线吞吐率高、 硬件的价格较低。 因此飞机供电参数测试系统的硬件，确定基于工控计算机平台上的， 采用 p l u g i n p c d a q数据采集卡的虚拟仪器设计方案。 2 . 3 . 2飞机供电 参数测试系统的软件设计 应用软件开发环境是设计虚拟仪器所必须的软件工具。应用软件开发环境的 选择，可因程序员的喜好不同 而不同。但是最终都要求开发出，用户界面友好， 功能强大的图形化仪器前置面板 ( 软件面板) 。目 前， 较流行的虚拟仪器软件开发 环境大致有两类: a )文本式的 编程语言，如c , l a b w i n d o w s / c v i , v i s u a l c + + , c + + b u i l d e r 等。 b )图形化的编程语言，代表性的有h p v e e , l a b v i e w 等。 不同的软件开发环境有着不同的特点。如下表: 西北工业大学硕士学位论文 第二章 飞机供电 参数测试系统的总体设计 软件特点 mi c ros o f t v i s u a l c+ +学习和掌握的难度较大。 面向 对象可视化编程软件。开发软件 的周期较长。 bo r l a n d c+ + b u l i d e r b o r l a n d d e l p h i 易学，使用简单。面向对象可视化编程软件;它使用可视化控 件， 可以 快速开发应用软件。 da t a t r a n s l a t i o n hp ve e wi t h dt vp dt x e z tm 用于w i n d o w s 操作系统的数据采集和产品开发的可视化编程语 言: 灵活， 便于应用编程， 以 及和用户程序接口 : a c t i v e x 控件 系列， v b 和v c + + 下， 可以设计和配置d a t a t r a n s l a t i o n 数据采 集板;可以和其他a c t i v e x 控件组合创建测试应用软件。 he wl e t t - p a c k e d hp vee 不必编写代码就可以 进行数据采集与分析: 提供数据， 处理控 制，提供测试过程和测试报告。 na t i o n a l i n s t r u me n t s la b vi ew l a b wi n d o w s / c v i 具有用于数据采集， 仪器，网 络和分析的完全集成化的库的图 形 化 环境; 可 编泽 性能强; w i n d o w s x p / n t , m a c o s , s u n , h p - u x 和并行p o w e r m a x 中 应用， 具有交叉平台兼容性，自 动化的 测试 对接软件，s q l 数据库连接性s p c 分析工具。 用于仪器控制， 数据采集和分析的交互式基编译软件包; 用于 g u i 的 拖拉用户界面编程器: 用于快速样机开发的 代码产生 工具和内部编译器; 用于g p i b , v x i ， 串 行， d a q ， 分析， t c p 和用 户控制界面的集成库;可用于w i n d o w s x p / n t , s u n s o l a r i s 1 . x / 2 . x 和h p - u x . 图形化的编程软件一般价格较昂贵，开发成本高。 而文本式编程语言灵活 性较好， 用户可以 灵活的添加功能.因此，飞机供电参数测试系统的软件开发环 境采用文本式的编程语言v i s u a l c + + , c + + b u i l d e r 编写软件面板。 西北工业大学硕士学位论文第三章 测试系统中参数处理的理论基础 第三章 测试系统中参数处理的理论基础 3 . 1飞机供电参数测试系统的测试标准 本系统采用的 测试标准是美国军用标准m 工 l - s t d - 7 0 4 c 。该美军标准共有从 m i l - s t d - 7 0 4 到7 0 4 e 六个版本。1 9 5 9 年1 0 月颁布了m t l - s t d - 7 0 4 ，其后1 9 6 6 年8 月 颁布了m i l - s t d - 7 0 4 a ;而后1 9 7 5 年1 1 月颁布了 m i l - s t d - 7 0 4 b ; 接着1 9 7 7 年1 2 月颁 布-t m i l - s t d - 7 0 4 c ; 还有1 9 8 0 年9 月颁布了 m i l - s t d - 7 0 4 d ; 现今最新的版本是1 9 9 1 年5 月的颁布 m i l - s t d - 7 0 4 e 。 本人的导师所在的研究组在1 9 9 3 年， 设计开发的飞 机供电 参数测试系统采用的 测试标准是m i l - s t d - 7 0 4 a . 美国军用标准m i l - s t d - 7 0 4 c 规定了 机载设备端的 供电 特性和机载设备对这些 电源的应用要求。 它用于增进飞 机供电 系统与机载用电设备之间的协调， 即限定 了飞机供电 特性在规定的范围 之内， 同时也限定了 机载用电 设备对这些电 源的应 用要求。 美国军用测试标准经过数十年的发展，己 经非常成熟和完备。通过使用他们 的测试标准可以充分验证飞机供电系统的供电性能品质。 3 . 2飞机供电参数测试系统采样数据的基本处理 3 .2 . 1信号的采样 在一定条件下，一 个连续时间信号完全可以 用该信号在等时间间隔点上的值 或样本来表示，并且可以用该样本值把该信号全部恢复出来。这个性质来自 于采 样定理。 这个定理是极为 重要和有用的。 在没有任何附加条件的或说明 下，我们 不能指望每一个信号都能唯一的有一组等间距的样本值来表征，有无限多个信号 西北工业大学硕士学位论文 第三章 测试系统中参数处理的理论基础 都可以产生一组给定的样本值。然而， 将会看到，如果一个信号的带宽 ( 即它的 傅立叶变化在某一有限频带范围以外均为零)足够窄，并且它的样本取得足够多 的话 ( 采样间隔o f 2 f c ，f c 为信号中的最大频率) ，那么这样的样本值就能唯 一地用来表征这一信号，并且能从这些样本中把信号完全恢复出来，这就是采样 定理。它在信号与 信号分析方法地实际应用中有着极为重要的意义， 在连续时间 信号和离散时间信号之间起到桥梁的作用。 根据中华人民共和国 航天工业部航空工业标准 h b 6 4 4 8 -9 0 的飞机供电系统 性能参数的数字式测试方法。 对于采集高速变化的电信号， 采样频率不低于8 0 k h z e 本次飞机供电参数测试系统采用 l 0 0 k h z 的采样频率， 高于8 0 k h z ， 采集得到 各个通道的电压、 电流瞬时值( 其中测试直流脉动电压参数时， 数据采集频率采用 1 m h z / s 的速率) 。 3 . 2 . 2 .快速傅立叶变换( f f t ) 算法简介 f f t算法有很多种形式，但基本上可以分为两大类，即按时间抽取法 ( d e c i m a t i o n - i n - t i m e ，简称 d i t ) 和按频率抽取法 ( d e c i m a t io n - i n - f r e q u e n c y , 简称d i f ) 。 按时间 抽取f f t算法是 把输入序列按其顺序是偶数还是奇数来分解 为 越来 越 短的 序 列， 按 频 率 抽 取f f t 算 法 是 把 输出 序 列x ( k ) ( 也 是n点 序 列) 按其顺序的偶、 奇来分解为越来越短的序列。 在这里我们采用了按频率抽取( d i f ) 基2 f f t算法来进行频谱分析，下面介绍该算法的原理。 设有限长序列长度n是2 的整数幂次方，即n=2 ( m为正整数) ， 在把输 出 序列x ( k ) 按k 的 奇 偶分组 之前， 先 把 输入 序列x ( n ) 按n 的 顺 序分 成前 后两半， 巳 日 衅 洲公弓 衅 知勺心间 - x ( k ) 一 艺 x ( n ) w , 一 琶 卜 (。 )十 衅 :二 (。 + ， )孙 一 至 x (n ) + (- 1)k x (二 ， )种 ( 3 - 1 ) 西北工业大学硕士学位论文第三章 测试系统中参数处理的理论基础 因 为 叮= - 1 ， 所 以 衅n 一 ( - 1 ) k 0 当k 为偶数时， 令k = 2 r ( r - 0 , 1 , . . . , 警 - 1 ) ， 则 x (2 r) = 至 x (n ) 十 : (。 + 1)i n m x , ( n ) w夕( 3 - 2 ) 扫艺浏 一一 当k 为 奇数时， 令k = 2 r + i ( r = 0 , i , . . . , 誓 - 1 ) ， 则 x( 2 r + 1 ) 、 ()一 (二 。 、 2一n-1x. (n)二 ( 3 - 3 ) 扣勺乙浏 一 其中 x , ( n ) = x ( n ) + x ( n + 夸 )( 3 - 4 ) x , ( n ) = x ( n ) 一 x ( n + 夸 ) 衅( 3 - 5 ) 式 ( 3 - 2 ) 和式 ( 3 - 3 ) 中 的x ( 2 r ) 和x ( 2 r + 1 ) 分别 为x , ( n ) 和x 2 ( n ) 的答 点d f t ， 因 此 一 个 n点 序列的d f t 可以 将 序列按 前 后分 解成两部 分， 然 后按式 ( 3 - 4 ) 和式 ( 3 - 5 ) 组 成两 个n / 2 点 序 列x , ( n ) 和x , ( n ) ， 分 别 计 算n / 2 点 序 列 的d f t 即x ( 2 r ) 和x ( 2 r + 1 ) ， 它 们分别对应于原序列n点d f t 输出的偶数部分和奇数部分。 由于n = 2 ， n / 2 仍然是一个偶数，因此仍然可按上述分解法继续分解， 直 到最后剩下全部是两点的d f t ，两点的d f t同样可用一个蝶形运算来表示。 这 种分解法， 由 于每次都是按输出 序列x ( k ) 在频域上的顺序是属于偶数还是奇数分 为 两 组， 故 称 之 为 频 率 抽 取 ( d i f ) 基2 f f t 算 法。 下图 表 示了 一 个n = 8 的 完 整的 频率抽取法的f f t结构。 西北工业大学硕士学位论文 第三章 测试系统中参数处理的理论基础 i 二 1 1 = 2 i - 3 d ( 0 ) s(0)入g(l)g(2)g(3) x ( 0 ) . ( i ) x ( 2 ) x ( 3 ) x ( 4 ) x ( 5 ) x ( 6 ) x ( 7 ) 一 1 w0 x h ( 0 )= i w0 h ( 1 ) 争丈 (.2) h ( 3 一 工 w0 叼 c ( 1 ) w xzw0 x ( 0 ) x ( 4 ) x ( 2 ) x ( 6 ) x ( 1 ) x ( 5 ) x ( 3 ) x ( 7 ) 叼一叼一叼一叼 门巴且卜月卜月 频率抽取法f f t 信号流图 ( n =8 ) 由频率抽取法f f f 信号流图可见，当n= 2 时，共有m级蝶形，每级都由 n / 2个蝶形运算组成， 每个蝶形有一次复乘、二次复加，因而每级运算都需 n / 2 次复乘和n次复加，这样m级运算总共需要 复乘数 复加数 m f = 答 m= 答 l o g 答 a f = n m= n l o g 夸 由于计算机上乘法运算所需的时间要比加法运算所需时间多得多， 而f f 7 ， 算法能 使n 点d f t 的 乘 法 计 算 量 由 n 次 降 为 誉 lo g 夸 次 ， 大 大 节 约了 运 算 所 需 的 时 间 ， 尤其是当点数n越大时， f f i ， 的优点就更突出了。 3 . 2 . 3采样数据的插值( 抛物线插值法) 在工程实践中确定一个函 数 f ( x ) 通常是很复杂的，甚至很难找到它的表达 式， 有时 通 过实 验 观 察 或 数 值 计 算 所得 到 的 只 是 一 些 离散 的( 互 不 相同 的) 点x . 0 = 0 , 1 , . . . ,n ) 上的函数值y ; = f ( x . ) ( i = 0 , 1 , . . . , n ) ， 我们可以将它列成数据表格 x xx 三x 2 x 月 y = f ( x ) y oy iy zy 。 以 上 这种 用数 据 表 格 形 式 给出 的函 数 通 常 称为 列 表函 数， 其中 点x o , x., x 。 称 为 结点。如何根据函 数f ( x ) 己 有的数据表格来计算f ( x ) 在一些新的点x 处的函 数值， 西北工业大学硕士学位论文第三章 侧试系统中 参数处理的理论基础 就是插值法所要解决的问题。 因此， 所谓“ 插值” ， 就是在所给定的函数表中间再 插入一些所需要的新的函数值。其基本思想是:首先设法根据己 有的函数值来构 造一 个简单函 数a x ) 作为f ( x ) 的 近似表达 式， 然后再 计 算y ( x ) 的 值以 得到f ( x ) 的 近 似值。通常可以 选用多项式函数作为近似函数，因为多项式具有各阶导数， 求值 也非常方便。 关于代数插值问 题的完整叙述如下。 设 函 数y = f ( x ) 在 区 间 a ,6 上 是 连 续的 ， 且已 知f ( x ) 在 区 间 f a ,b 上 (n + l ) 个 互异 点处的函数值 y i 若能找到一个次数不高于n =f ( x i ) 的多项式只( x ) : ( i = q , 1 ， 二 ， n ) ( 3 - 6 ) 只 ( x ) = 。 。 + a ,x + a 2 x z + ， + a x ( 3 - 7 ) 使满足条件 只( x i ) = f ( x )( i = 0 , 1 , . . . , n ) ( 3 - 8 ) 则 称p ( x ) 为f ( x ) 的 插 值多 项 式， x ; ( i = 0 , 1 , . . . ,n ) 称 为 插 值 点 结点) ， 区 间 ( a ,6 称为插值区间。 在此， 我们采用拉格朗日 插值法来解决插值问题。 在上述的代数插值问题中， 可 把 插 值多 项 式p ( x ) 写 成 另 一 种形 式 只( x ) “ y o l o ( x ) + y , 1 , ( x ) + + y ) h ( x ) ( 3 - 9 ) 其中ii ( x ) 是 一 个n 次 多 项 式， 并 且 满 足如 下 关系 l i ( x i ) = 0 ( 当j x i ) 或 l i ( x i ) = 1 ( 当j 二 i ) 不难验证， 可以 取1 ; ( x ) 为 如下 形式 1(x ) (x-xx x-xj ._(x-x- x x-x,.,) (x-x.).(x ) = (x,-x,x x,-x,) ._(x,-xi-,xx,-x,.,) .(x,-x.) = n l(x 一 x i ) l(x ; 一 x ) (3 - 10 ) 1 = 0 手 1 由此，插值多项式就变成如下形式 p ( x ) = 艺y a wi 夕 ，六 i(x一 、 i ) /(x 一 x i ) 价洲 这就是拉 格朗日 ( l a g r a n g e ) 插值多 项 式， 通常记 为l . ( x ) ， 即 西北工业大学硕士学位论文第三章 测试系统中参数处理的理论基础 l (x ) 一 艺 y ;六 l(x 一 二 ， ) i(x , 一 x ; )( 3 - 1 1 ) 介洲 当n = 2 时， 函 数y = f ( x ) 在x (p , x 1 , x 2 处的 值 分 别 为y or , yy 2 ， 则二 次 插 值公 式 为 l 2 ( x ) = ， 。 花 (x -o x - x,)(xu - x i x x- xi ) + y , 老 粼景 升 + ， ， ( x - x . x x 一 石j ( x , - x o x x , - x i ) ( 3 - 1 2 ) 如 果( x 0 , y o ) , ( x i , y i ) , ( x 2 y 2 ) 三 点 不 在一 条 直 线 上， 则 上 述 公 式 是一 个 二次 函 数， 通过这三点的曲 线是 抛 物线， 式 ( 3 - 1 2 ) 即 为 抛物线 插值公 式。 三点抛物线插值的差分公式如下: ， = ， ， 1(x - x, x x - x, ) + y 2 青 瑞 景 斋 + y 3 反 (x - x, x x - x4 , -x, x -, - 乐( 3 - 1 3 ) 式中( x 1 , y , ) , ( x i 1 y 2 ) 1 ( x i 1 y 3 ) 一采 样点 的 连 续 三 个 值 ( x , y ) - 插值后的新值 如下图: 实际采集点 。插值点 三点抛物线插值示意图 由 于3 . 2 . 2 节 中 的 分 析 可 知: 在 频 谱分 析 中， 若 采 用 直 接离 散 频 谱 分 析 ( d f t ) 分析信号的 频谱， 它的 运算量远 远超过快 速傅立叶分析 ( f f t ) 的 运算量。 这样 如果分析较大数据量时f f t优于d f t 。而采用f f t 进行频谱分析，要求每周波 周期点数为2 ” 倍。对于本测试系统，大量采用三点抛物线插值法得到2 ” 的信号 数据，计算快速傅立叶分析 ( f f i )以用于频谱分析。 西北工业大学硕士学位论文第三章 测试系统中参数处理的理论基础 3 . 2.4采样数据的零点捡出技术 采样数据零点捡出 技术，即就是找出采样信号中零点的位置。下面就先介绍 零点捡出技术的数学原理。 我们知道正弦函数的级数展开式为 s in 二 l - 3 , + 景 一 + ( - 1 ) 漪 十 ( 3 - 1 4 ) 当采样得到过零点附近数据后，取过零点上下1 0 “ 以内的数据，根据正弦函数的 性质，当t y 3 )( 其中y i y 2 y 3 ) , 通过抛物线拟合，得到这个周波的近似真实峰值。 在进行抛物线拟合计算时，首先考虑可能出现的两种情况: ( 1 ) x , x : 且x i x 3 正向 波形时) ; ( 2 ) x , x 2 且x , f d, 一 ( 几 ) m ;. 1 ( 3 - 3 1 ) b ) 最大频率漂移率 频率漂移率是由频率漂移所引起的频率随时间的变化率，它的计算公式为: 最大频率漂移率= m a xi f d , - f .l. _ ( 3 - 3 2 ) 式中:t d 一 测试周期， s o 西北工业大学硕士学位论文第三章 测试系统中参数处理的理论基础 3 . 5交流瞬态电压性能参数的分析 3 . 5 . 1交流电 压的瞬变 交流电压瞬变是指电压值超出稳态极限，并在一定时间内回到稳态极限的短 暂的变化状态。无论原动机转速突然变化还是负载突然变化都会引起电压瞬变。 目前随着对机载电 源电压瞬变现象研究的深入及测试技术的改善，己将电压瞬变 区分为两类，把那种持续时间较长 ( 大于5 0 0 u s )的电压瞬变现象称之为电压浪 涌， 它主要是由于供电系统内在的调节作用以及供电系统某部分故障或误动作引 起的。当电压浪涌功率过大时， 会给用电设备带来一些问 题， 例如使半导体器件 损坏或使机载计算机等设备产生误动作。 把那种持续时间较短 ( 小于5 0 0 u s ) 的 电压瞬变现象称之为电压尖峰， 它通常是由 于切换感性器件时产生的高频电流所 造成的。与电压浪涌相比，电压尖峰的幅值要大得多. 飞机供电系统中的瞬态浪涌电压是由于电源系统设备的工作状态发生突然变 化而引起的系统动态过程，该参数是否符合m i l - s t d - 7 0 4 c 的有关要求，对于整个 供电系统来说，意义非常重大。 根据中华人民共和国航天工业部航空工业标准 h b 6 4 4 8 -9 0 的飞机供电系统 性能参数的数字式测试方法。对系统进行突加载、突卸载的控制，测量瞬态过程 中电压的变化情况，计算过压浪涌 ( 卸载时) 、欠压浪涌 ( 加载时)和瞬态频率。 飞机供电参数测试系统根据采样的值计算各相电压峰值和发生的时间。 将峰 值电 压除以 扼 、 即 得 到 瞬 态 浪 涌电 压。当 电 压 瞬 变 超出 稳 态 极限 后， 绘 制 瞬 态 浪涌电压曲线填充到m i l - s t d - 7 0 4 c 制定的交流电压瞬态包络线图中， 以检验参数 是否符合标准。如下图: 西北工业大学硕士学位论文第四章 飞机供电参数测试系统的硬件介绍 第四章 飞机供电参数测试系统的硬件介绍 4 . 1飞机供电 参数测试系统的硬件的概况 飞 机供电 参数测试系统的硬件由数据采集卡和信号调理电路两部分组成。如 下图: f - - - -信 号 诵 .w .1。 侧试对象 执行开关量元件 一分 ff ir w m -b m 飞机供电参数测试系统的硬件设计结构框图 4 . 2数据采集卡( p l u g _ i n p c - d a q ) 因为基于p c 总线的高 速数据采集卡的开发研制是很困难的。需要一个较长 的研制周期，同时基于它的在 wi n d o w s 2 0 0 1 下的设备驱动程序的编制也很困难 的，而留给研发的时间有限。所以 我们采用购买数据采集卡的方案。 凌华科技公司 的产品n u d a q d a q - 2 2 0 4 数据采集卡， 基本满足飞机供电 参数 测试系统的使用要求。 d a q - 2 2 0 4 是一款先进的基于3 2 - b i t p c i 结构的数据采集卡。 它支持即插即