摘要:論文系統(tǒng)地總結(jié)了自動(dòng)控制理論和工程應(yīng)用，以及針對(duì)機(jī)電系統(tǒng)工程的應(yīng)用發(fā)展概況。針對(duì)該項(xiàng)目的開發(fā)目標(biāo)和實(shí)際需求較為系統(tǒng)地討論了該軟件的功能分析，包括系統(tǒng)的整體功能、針對(duì)控制系統(tǒng)的建模功能、針對(duì)控制系統(tǒng)運(yùn)行的分析計(jì)算功能等。在系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上較為系統(tǒng)地討論了針對(duì)工程師用戶的控制系統(tǒng)輔助開發(fā)功能，著重論述了各類系統(tǒng)模型的建模設(shè)計(jì)，系統(tǒng)運(yùn)行分析計(jì)算功能的設(shè)計(jì)，其中包括對(duì)用戶最有價(jià)值的穩(wěn)定性分析計(jì)算、時(shí)域和頻域分析計(jì)算等功能的軟件設(shè)計(jì)。
　　關(guān)鍵詞：反饋控制；頻域分析；時(shí)域分析
　　1、前言
　　面向機(jī)電系統(tǒng)控制研發(fā)背景實(shí)際需要和培訓(xùn)機(jī)電系統(tǒng)研發(fā)工程師的實(shí)際需求，本文論述車輛機(jī)電系統(tǒng)控制輔助開發(fā)軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。該項(xiàng)目基于通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)，面向車輛機(jī)電系統(tǒng)控制的特點(diǎn)和要求進(jìn)行開發(fā)，以最大限度提高開發(fā)效率同時(shí)降低開發(fā)試驗(yàn)成本和培訓(xùn)成本。
　　2、自動(dòng)控制基本概念
　　自動(dòng)控制是目前工業(yè)社會(huì)和信息社會(huì)運(yùn)轉(zhuǎn)的重要支柱性技術(shù)，作為實(shí)現(xiàn)各種自動(dòng)化過程的重要的技術(shù)手段，能夠解決多種類型的復(fù)雜問題、承擔(dān)多種類型的技術(shù)和生產(chǎn)任務(wù)。任何技術(shù)設(shè)備、機(jī)器、和生產(chǎn)過程都必須按要求運(yùn)行。
　　3、機(jī)電控制系統(tǒng)及其發(fā)展概況
　　
　　機(jī)電控制技術(shù)的直接應(yīng)用就是各類工業(yè)控制系統(tǒng)，第一代工業(yè)機(jī)電控制系統(tǒng)是基于5－13psi的氣動(dòng)信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)（氣動(dòng)控制系統(tǒng)PCS）的簡(jiǎn)單的就地操作模式。
　　第二代機(jī)電控制系統(tǒng)為模擬式或ACS式，是基于0－10mA或4－20mA的電流模擬信號(hào)。
　　第三代機(jī)電控制系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，70年代開始了數(shù)字計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，人們?cè)跍y(cè)量、模擬和邏輯控制領(lǐng)域率先使用，從而產(chǎn)生了第三代基于計(jì)算機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)。
　　第四代機(jī)電控制系統(tǒng)特征為分布式控制系統(tǒng)。隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的飛速發(fā)展，微處理器的普遍使用，計(jì)算機(jī)技術(shù)可靠性的大幅度增加，目前普遍使用的是第四代控制系統(tǒng)或分布式數(shù)字控制系統(tǒng)。
　　第五代機(jī)電控制控制系統(tǒng)以現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)：FCS是從DCS發(fā)展而來。主要的總線有Profibus，LonWorks等工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
　　
　　4、功能分析
　　機(jī)電系統(tǒng)建模，包括對(duì)控制器、伺服器和外部干擾過程的定量建模和模擬。根據(jù)需要應(yīng)該包含線性時(shí)域分析和頻域分析技術(shù)，也應(yīng)該實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)空間的分析技術(shù)。系統(tǒng)綜合，根據(jù)建模和分析結(jié)果進(jìn)行控制系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算。控制方案綜合評(píng)價(jià)，在以上輔助設(shè)計(jì)和分析的基礎(chǔ)上針具定量和半定量準(zhǔn)則分析對(duì)比各種控制方案的性能和其他相關(guān)因素，排選最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。
　　4.1系統(tǒng)建模功能分析
　　這部分功能是該軟件系統(tǒng)的核心功能之一，具體包括對(duì)機(jī)電控制系統(tǒng)各組成部分如控制器和伺服器的建模、對(duì)輸入信號(hào)過程建模、外部環(huán)境建模以及隨機(jī)干擾信號(hào)的建模等方面。對(duì)各類控制系統(tǒng)通常建模的核心目的之一是模擬如何調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的被控設(shè)備，例如在各類給定工況下調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速和滿足調(diào)速指標(biāo)等。
　　對(duì)機(jī)電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的建模針對(duì)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行。因?yàn)檫\(yùn)用同樣或同類的子系統(tǒng)或功能環(huán)節(jié)可以通過不同的組合方式構(gòu)成新的整體特性，因此該模塊要能夠支持高效實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、試組合、對(duì)應(yīng)的響應(yīng)計(jì)算和優(yōu)化。
　　4.2系統(tǒng)分析功能
　　根據(jù)控制工程的常見要求，該軟件需要提供的系統(tǒng)分析功能包括頻域分析計(jì)算功能、根軌跡分析功能和時(shí)域分析計(jì)算功能。對(duì)時(shí)域分析，該軟件需要具體實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性分析、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性分析(如對(duì)單位脈沖響應(yīng)、單位階躍響應(yīng))、自激振蕩特性等，對(duì)頻域分析則需要實(shí)現(xiàn)常用的伯德圖、奈奎斯特圖的自動(dòng)生成計(jì)算能力。
　　對(duì)線性離散系統(tǒng)該軟件要能夠根據(jù)用戶設(shè)置的該離散系統(tǒng)的輸入?yún)��?shù)或類型計(jì)算出響應(yīng)的時(shí)間序列、分析出該離散系統(tǒng)的穩(wěn)定或不穩(wěn)定區(qū)域等功能，支持工程師正確判斷該系統(tǒng)的響應(yīng)品質(zhì)。
　　4.3系統(tǒng)校正與優(yōu)化功能
　　該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)行系統(tǒng)校正要求的支持，具體功能是對(duì)在前面系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上對(duì)控制器加入一定的參數(shù)以用來進(jìn)行性能調(diào)節(jié)。工程師用戶在確定被控設(shè)備對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性后，按照被控對(duì)象的工況條件，例如被控信號(hào)應(yīng)該具有的最大速度和加速度要求、反饋測(cè)量精度要求等，先初步選定執(zhí)行器元器件的類型、特性和參數(shù)，第二步根據(jù)測(cè)量精度、抗干擾要求、被檢測(cè)信號(hào)的物理性質(zhì)、測(cè)量過程中的慣性以及非線性因素選擇合用的測(cè)量轉(zhuǎn)換元件，第三步在該基礎(chǔ)上通過該軟件系統(tǒng)的輔助分析計(jì)算功能設(shè)計(jì)增益可調(diào)節(jié)的前置放大器和功率放大器。
　　4.4系統(tǒng)功能框架
　　將以上功能匯總就可以給出該軟件系統(tǒng)整體的功能框架。該軟件在功能構(gòu)成上分兩個(gè)層次，高層主要為交互式方式工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和信號(hào)的建模功能、系統(tǒng)的運(yùn)行分析功能、校正和優(yōu)化功能以及必要的輸出管理和數(shù)據(jù)管理功能。較為底層的是自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的各種具體的分析計(jì)算功能，最底層為模型庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能，就和那個(gè)用戶建立和分析的模型以及模擬運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和重用。此外該軟件還應(yīng)該針對(duì)工業(yè)應(yīng)用中的各種特殊的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和特性提供管理功能以支持更面向?qū)嶋H的系統(tǒng)建模和分析。
　　
　　4.5穩(wěn)定性分析設(shè)計(jì)
　　穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)的最重要的品質(zhì)之一，也是能夠正常運(yùn)行的首要條件，它保證系統(tǒng)運(yùn)行不受環(huán)境變化、干擾因素以及參數(shù)變化等影響。穩(wěn)定性使任何偏離預(yù)定狀態(tài)的干擾最終都不會(huì)導(dǎo)致大的偏差，因此穩(wěn)定性分析時(shí)對(duì)任何控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估和分析的必備步驟。
　　4.6時(shí)域分析
　　時(shí)域分析的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容就是實(shí)現(xiàn)各類模型對(duì)象中的響應(yīng)函數(shù)的算法，具有良好通用性，具體計(jì)算過程隨具體模型類型不同，整體邏輯設(shè)計(jì)如圖1所示。

　　圖1系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)域分析流程
　　
　　4.7頻域分析
　　軟件提供的線性系統(tǒng)頻域分析功能反映機(jī)電控制系統(tǒng)在交變輸入信號(hào)作用下的運(yùn)行特性，它基于工程師用戶設(shè)定的設(shè)備和元器件和頻率響應(yīng)特性以及所涉及的控制方案，分析計(jì)算整體系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的頻率特性。該功能可以兼顧系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和干擾抑制兩方面的運(yùn)行品質(zhì)，在一定程度上適合于對(duì)非線性系統(tǒng)的分析和評(píng)價(jià)。

　　與系統(tǒng)工程師分析頻率特性的習(xí)慣一致，該系統(tǒng)也分別提供幅頻特性和相頻特性的計(jì)算分析，但兩者在算法上是一致的進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)頻域分析模塊的計(jì)算流程如圖2。

　　圖2系統(tǒng)頻域特性分析流程
　　
　　5、結(jié)論
　　本文對(duì)車輛機(jī)電控制系統(tǒng)輔助開發(fā)軟件進(jìn)行了較為系統(tǒng)的論述。此外，這些對(duì)象還需要提供這樣的接口，使用戶可以修改參數(shù)、加入擴(kuò)展功能或替換新功能，由此從原來的對(duì)象衍生出新的對(duì)象，即原始對(duì)象的繼承類，這些新對(duì)象按照面向?qū)ο蠓治龊驮O(shè)計(jì)的理念與原則和原來的對(duì)象一樣可以組合成系統(tǒng)模型，從而大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性。最后，該軟件環(huán)境還提供這樣一類的接口，使用戶可以定義完全新的對(duì)象，包括新對(duì)象的屬性和方法以便任意擴(kuò)展現(xiàn)有環(huán)境的表達(dá)能力。
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