摘 要：介紹了基于VXI總線的飛機電源性能參數(shù)測試系統(tǒng)，對系統(tǒng)中存在的粗大誤差、隨機誤差、系統(tǒng)誤差進行了分析。通過若干次采樣、數(shù)據(jù)處理，找到了相應的處理方法，并在實踐中進行了運用。實驗證明，該誤差處理方法對提高飛機電源性能參數(shù)測試系統(tǒng)的精度是有效的。
關鍵詞：誤差；測試；飛機電源
為了驗證飛機供電系統(tǒng)的設計制造是否滿足給定的要求，必須對其供電品質進行系統(tǒng)的測試[1] 。南京航空航天大學航空電源重點實驗室研制了基于VXI總線的飛機電源性能參數(shù)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)能進行實時、高精度的多路信號測量，研制工作中，本人參與組建、調試了硬件系統(tǒng)、編制了軟件處理程序、對系統(tǒng)誤差與隨機誤差進行了分析與處理，最終使該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、精度高，可滿足飛機電源系統(tǒng)的測量工作，能為飛機電源的定型制造提供依據(jù)。本文重點介紹該測試系統(tǒng)的誤差分析與處理。
1 飛機電源性能參數(shù)測試系統(tǒng)簡介
飛機電源性能參數(shù)測試系統(tǒng)工作流程如圖1所示。
本系統(tǒng)的精度取決于輸入輸出接口（調理電路）、A/D轉換器的精度、軟件處理精度，當然，采樣頻率和采樣周期也是決定性因素之一。根據(jù)誤差的性質和特點，一般將其分為粗大誤差、隨機誤差和系統(tǒng)誤差3類。本文分別研究了該系統(tǒng)中的3類誤差處理方法。
2 粗大誤差的處理
本系統(tǒng)中粗大誤差的出現(xiàn)可能源于飛機電源系統(tǒng)中偶然出現(xiàn)的毛刺，它的存在大大影響測量結果的準確性．我們采用一階差分方程
xt′=xt-1+（xt-1-xt-2） 式中為xt′為t時刻的預測值；xt-1為t時刻前1個采樣點的值；xt-2為t時刻前2個采樣點的值。
由式（1）可知，t時刻的值可以用xt-1和xt-2時刻的取值來推算。當數(shù)據(jù)采樣頻率比物理量變化的最高頻率大得多時，這種預測方法有足夠的精度。我們用t時刻的預測值和t時刻的實際數(shù)據(jù)值進行比較，然后來判斷t時刻的實際數(shù)據(jù)值是否為奇異項。其判斷的準則是．給定一個誤差窗口W，若t時刻的實際數(shù)據(jù)為xt，當|xt-xt′|＞W(wǎng)時，則認為此采樣值不符合正常變化規(guī)律，是奇異項。一般誤差窗口的大小要根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率和物理量的變化特性決定[2] 。
根據(jù)上述理論，編寫交、直流穩(wěn)態(tài)電壓和電流測量數(shù)據(jù)奇異項的檢出程序。設定相對誤差為10%，用差分方程計算出某點的預測值與該點實際采樣值比較，若相對誤差大于10%，則該點為奇異項。檢出奇異項后就在該點位置上補上一個與預測值相等的數(shù)據(jù)點。
3 克服隨機誤差的軟件處理方法
在實際的被測信號中，往往含有各種噪聲和干擾，它們來自被測信號本身、傳感器、電磁干擾或A/D變換器的量化效應等，其振幅和相位隨時間的變化是不規(guī)則的，因此它們對測量結果的影響屬于隨機誤差的范疇。這里利用微處理器功能，對測量的結果采用一定的軟件處理方法，可以減小測量中的隨機誤差。對于某被測量n次獨立的、無系統(tǒng)誤差的等精密度測量，得到n個測量數(shù)據(jù)x1，x2，…,xn，則被測量最可能的估計值為全部測量數(shù)據(jù)的算術平均值，這稱之為算術平均值原理，即
按算術平均值原理等精密度重復測量可使隨機誤差對最后結果的影響減小到最低限度。
本系統(tǒng)在計算電壓、電流有效值、諧波含量、電壓調制參數(shù)時，皆盡量提高采樣頻率、增加測試周期，盡可能地減小隨機誤差。
4 系統(tǒng)誤差的分析與處理
4.1 LEM型電流、電壓傳感器引起的誤差
本系統(tǒng)凋理電路中的傳感器有多個LEM霍爾模塊型電流傳感器、LEM模塊型電壓傳感器。電壓、電流傳感器所產生的誤差，一方面由其自身的精度引起，另一方面還受傳感器的使用正確與否和外磁場干擾的影響。
LEM霍爾電壓、電流傳感器的線性度好，精度高，但使用不當也會引起測量誤差，如當直流電流通過原邊線圈時，傳感器尚未接電源，或者次級線圈開路，使次級線圈回路不能提供相應的補償電流，造成聚磁環(huán)磁化，產生剩磁，從而影響測量精度。
本系統(tǒng)一方面將LEM模塊放人磁場屏蔽罩中以避免外磁場的干擾，另一方面嚴格遵守系統(tǒng)測試操作程序，使整個系統(tǒng)只有在傳感器接通電源的條件下才有可能開始測試，以避免聚磁環(huán)被磁化。
經(jīng)過多次重復測量，測量結果見表1，證實了調理電路存在系統(tǒng)誤差。此系統(tǒng)誤差有這樣幾個來源：5A電流傳感器誤差為±0.5%；PM3300功率分析儀測量誤差為±0.05%；采樣電阻的精度為±0.1%；接線誤差等。在這里將每路輸出用輸入值＝輸出值÷（1-0.4%）的方法來減小系統(tǒng)誤差，實踐證明此方法是行之有效的。
4.2 非同步采樣引起的誤差
同步采樣是指被測周期信號f（t）在時間區(qū)間[t0,t0+T]內按等間隔Ts,采樣N＋1個點，它要求：1）采樣間隔相等；2）采樣間隔乘以N（N為每周期的采樣點數(shù)）應嚴格等于被測信號的周期，即Ts×N＝T。如果恰好等于被測信號的1個周期，則為理想化的同步采樣，當采樣點數(shù)符合采樣定理時，不存在同步采樣誤差[4-5] 。但在實際的微機測試中，被測信號周期和采樣間隔一般以微處理器的計數(shù)值表示，為正整數(shù)，在除法運算時會產生舍入誤差，這樣，采樣間隔Ts≠T/N，從而引起同步誤差（稱周期誤差），其大小為：
△T=N×Ts-T 如圖2,設測試系統(tǒng)的第1個采樣點在基頻的α1點。，第N個采樣點在α點，由于同步誤差△T的存在，α1≠α2，這時實際采樣間隔為：
由此可見，同步誤差是由于測試系統(tǒng)所用的微處理器的系統(tǒng)頻率不能無限高，其計數(shù)周期不能無限小、電網(wǎng)電壓的波動等因素引起的。
實際工作中，不可能做到同步采樣，這就引起了非同步采樣誤差。當存在同步誤差時，采樣起始點位置與有效值、有功功率測量方法誤差有關系。選擇適當?shù)牟蓸悠鹗键c位置可減小甚至可消除同步誤差對信號有效值、有功功率的影響。在“最佳采樣起始點”附近采樣時，誤差很小，工程實現(xiàn)方便。傳統(tǒng)的“恰過零點采樣”是一種不利于抑制同步誤差影響的方法。
利用HP VEE中任意波形發(fā)生器產生標準波形進行仿真實驗，可以得出：測量正弦波信號的有效值“最佳采樣起始點”在0°左右；測量正弦波的諧波含量，“最佳采樣起始點”在60°左右。表2為不同采樣起始點同步誤差與有效值誤差、有功功率測量誤差的關系。
在計算功率時，對電壓、電流采樣的同時性要求很高，如果電壓、電流采樣不同時，相差t時間，則測得的功率中將有非同時采樣誤差：
δ=|wttanρ|×100%
式中ρ-功率因數(shù)角；w-采樣信號的角頻率[6] 。
由式（5）知，隨著功率因數(shù)的減小，非同時采樣誤差將急劇增大，因此系統(tǒng)應充分考慮這一誤差。因使用1個A/D轉換器無法完成對電壓信號和電流信號同時采樣的任務，所以本系統(tǒng)采樣時同時啟動3個A/D轉換器，讓電壓模擬量和電流模擬量分別進人A/D轉換器，從而使非同時采樣誤差對系統(tǒng)精度的影響達到最小程度。
5 結論
設備選擇是關鍵，誤差處理也很重要。通過以上的誤差處理，該測試系統(tǒng)的測量精度如下。
穩(wěn)態(tài)電壓：±1.0%
瞬態(tài)電壓：±0.5%
穩(wěn)態(tài)頻率：±0.4%
電流：±1.0%
相移：±0.5°
功率：±1.5%
實踐證明，該系統(tǒng)能為國產飛機電源系統(tǒng)的設計定型提供有力的依據(jù)。
參考文獻：
[1]嚴仰光．航空航天器供電系統(tǒng)[M]．北京：航空工業(yè)出版社，1994．
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[4]馬洪忠，胡虔生．軟件同步采樣誤差分析[J].電工技術學報，1996,11（2）:25-28．
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[6]方輝．誤差、相對誤差、引用誤差的不確定度和誤差的相對不確定度辨析[J]．計量與測試技術，2006（5）：30-33.