随着现在军事变革对武器系统的需求，现代武器系统装备结构越来越复杂，功能越来越完善，自动化程度越来越高，武器系统的性能得到了很大的提高[4]。但是也给武器系统的测试与故障维修带来很多的问题，例如：测试时间加长、使用和维护费用增加，使得基层战士操作和维护难度增加。
可编程导弹伺服机构模拟器以多种型号的导弹伺服机构原理为基础而设计的，目的是为了方便战士训练操作，同时也能够验证伺服机构的工作以及检验伺服机构测试软件的正确性。在实际的使用中也可以为伺服机构设计提供参考，提高设计水平。结合虚拟测试与故障诊断专家系统，实现对模拟器的测试并能够诊断故障位置，将故障定位到最小的可换单元。
一、系统组成
整个系统包括两部分，硬件有导弹伺服机构模拟器、信号调理模块、VXI测试系统和测控计算机等组成，软件包括模拟器参数设定软件、测试诊断软件和数据打印输出软件。首先是使用模拟器设定软件对伺服机构模拟器设定参数，然后通过VXI仪器对模拟器进行测试，并同步输出测试结果，在另一个显示器同时显示故障位置和故障原因。系统如图1所示。
。
首先需要对伺服机构模拟器进行参数调试。通过设定不同的参数，模拟器能够模拟多种型号伺服机构。针对特定的型号，可以先将标准参数输入，然后通过比较输出、输入参数调整模拟器硬件，保证模拟器真正的反映需要模拟的对象。
控制计算机通过模拟器参数设定软件将模拟器设定为某一状态。模拟器设定软件提供了数字IO接口和LPT接口两种方式与模拟器通讯，在设定某型号伺服机构时，软件同时提供该型号的标准参数和可定制的故障参数设定。在设定好参数后，软件根据当前温度和指定的接口将设定的参数输入到模拟器，此时模拟器就处于准备测试状态了。
测试诊断软件基于航天测控中心研制的VITE（Virtual Instrument Test Environment，虚拟仪器测试环境）平台，VITE平台提供了测试流程TPS图形化编写、测试仪器配置和测试任务配置等功能。在此基础上，根据伺服机构测试的特点，定制了测试数据输出显示界面，能够在测试的同时能够根据测试数据判断故障位置以及故障原因，大大增加了故障诊断结果的直观性。
二、测试项目
测试的内容包括静态参数和动态参数，系统采用全数字化的测试方式，完成了对伺服机构零位、油面高度和充气压力、建压时间、电机电压和电流、速度特性、速度回环、位置回环以及频率特性等内容参数的测试。
（一）静态参数测试：
主要包括伺服机构极性检查、非工作零位、非工作气压、非工作油面的测试，由于静态参数均为单向缓变信号，所以采用一阶数字滤波的方法进行处理。通过使用A/D模块采集信号的固定点数，采样速度设定为100K/s。处理的关系式为：
。
其中N为采样的点数。
（二）动态参数测试
１.建压时间测试
建压时间实际上是在伺服机构从非工作状态转变到工作状态时的气压的测试，当采样到一定的时间后，根据采样的频率和采样的点数来计算建压时间。
在电机开始工作后，气压开始增加，在一定的时间后，气压基本上稳定后就可以认为建压完成。在计算时，首先是分别从所有采样点的前、后部分1024点采用一阶数字滤波方法计算出开始气压和稳定气压，然后从采样点开始寻找大于稳定气压1％的点开始直到大于稳定气压90％的点，计算两点之间的采样点，在除以采样频率后就是建压时间。
２.位置回环测试
位置回环也就是位置特性，是伺服机构输出角与输入电流之间的关系，反映了伺服机构系统跟踪变化的能力，理想的情况下是一条直线。由于电磁器件的磁滞、伺服阀中油压变化缓慢以及各个部分的摩擦定因素的影响，位置特性就成为了位置回环[3]。如图2所示：
图 2 位置回环曲线
位置回环主要的参数有：正负最大偏角、回环宽度、位置增益和线性度。给伺服机构输入正弦信号并采集伺服机构的位置信号输出，通过计算和处理就可以得到这些参数。其中比较难以计算和处理是位置增益。如图3中所示，位置回环中的饱和部分需要在一元线性回归处理前去掉，具体的算法在后面介绍。
３.速度回环
速度回环主要是测试输出速度和输入电流信号之间的关系，反映了在给定的信号情况下，伺服机构输出的反应速度。主要的测试参数有零偏电流和回环宽度。速度回环如图3所示：
图 3 速度回环曲线
４.速度特性
速度特性是指舵机输出的角速度与输入电流之间的关系，通过给定一定频率和幅值的正弦信号就确定了速度，通过测试放大器的电流也就是输入到伺服阀的控制电流就可以确定放大器的工作能力。
５.频率特性
频率特性是指伺服机构在不同频率的正弦信号作用下，输出位移信号的幅值和相位与输入信号频率的关系。从频率特性可以看出，系统输出信号的幅值随着频率的升高而衰减，也就是说频率特性表示了系统对不同频率的信号的复现能力或者跟踪能力，之所以有这样的特性，主要是系统中存在储能元件。通过测试频率特性也就确定了系统本身的特性，因为系统的元件参数确定后，频率特性也就确定了，可以通过频率特性来识别系统，也就是模式识别的一方面[1]。
在伺服机构测试中，通过给定不同频率的正弦信号，同时测试输入、输出信号，作出频率特性的波德图，包括幅频特性和相频特性两部分。如图4所示：
图 4 频率特性曲线
三、数字信号处理算法
在计算建压时间、位置回环、速度回环以及频率特性时，需要综合使用数字滤波算法对采集的信号进行滤波去除毛刺。使用的算法包括平滑滤波、一元线性回归、相关滤波等。
（一）平滑滤波
平滑滤波处理速度快，滤波效果好。该算法的差分方程为：
其中N为需要根据采样频率设定的点数，N必须小于采样频率，否则滤波后信号将有很大的失真。同时这个滤波算法的缺点是计算后的数据与原始数据产生一定的相位差，主要原因是：每次计算的当前点是后面N个点的平均值，对于正常的正弦曲线来说，就相当于将当前点后的第(N/2-1)点的数值作为当前点的数值，从而使得所有的点向前移动，产生了相位差。如图5所示，较粗的曲线为包含外界干扰的信号，较细的曲线为平滑滤波后的曲线，可以很明显的看出两条曲线存在相位差。
图 5 平滑滤波前后曲线对比
测试系统需要比较伺服机构的输入输出信号的相位差，因此不允许输出信号在滤波后有相位差，所以我们对这个算法进行了改进。解决方法是，使用高速A/D对输出信号采样，采样三个周期，然后对采样数据分别作正向和逆向两次平滑滤波，根据采样频率取中间一个周期信号，这样就能够保证了滤波后的信号与原始信号无相位差。
（二）一元线性回归
在计算位置回环的位置增益时，需要计算回环的模拟直线的斜率，由于回环有饱和的部分，因此首先需要确定回环中非饱和部分点。首先通过算法查找回环最左边的点，作为起始点。并同时创建两个数组记录回环的上下两条曲线。通过这种方式可以很容易的确定相同纵坐标的两个点，以两点连线的中点作为需要模拟直线的点。从起始点开始，可以得到这样的中点数组，然后采用一元线性回归算法，计算出直线的斜率。具体的计算方法参考有关的书籍。
（三）相关系数滤波
相关系数滤波特别针对两个特性系数相关的特点，通过运算可以得到未知的系数。在本项目中，相关的计算方法是；
其中IN为输入信号，OUT为输出信号，N为一个周期内采样的点数。于是可以计算出输出信号的特征：
在计算频率特性的时候，需要计算在不同的频率输入信号下，输出信号对输入信号的响应特性，然后绘制频率特性曲线。
通过模拟器设定软件对模拟器输入多种型号的参数并测试，结果符合实物实际测试，并能够对输入的故障进行判断，同时定位到故障部件，提出故障原因。由于采用了图形动画显示的方式，使得测试诊断直观、生动。
在项目的实施过程中，通过比较多种数字信号处理方法，结合伺服机构测试特点，研制了专用的数字信号处理算法库。算法库作为VITE软件的插件，扩展了VITE的性能。
本系统通过对伺服机构模拟器的测试以及故障诊断可以对伺服机构设计提供帮助，同时也对进一步的导弹伺服机构测试提供参考。将这套系统推广到作战部队，可以提高战士的测试以及故障判断水平，有着非常重要的应用价值。
