摘 要： 將控制理論應(yīng)用于工業(yè)閥門控制系統(tǒng)（IVCS）的測(cè)試中，提出了IVCS較為完善的測(cè)試方法。介紹了多功能工業(yè)閥門控制系統(tǒng)測(cè)試儀（MFTS）的測(cè)試原理，給出了MFTS的功能需求及以MSP430單片機(jī)為核心的實(shí)現(xiàn)方案。
關(guān)鍵詞： 測(cè)試儀  閥門  MSP430

 

    工業(yè)閥門控制廣泛地應(yīng)用于冶金、制藥、石油等工業(yè)領(lǐng)域，隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，采用智能閥門控制系統(tǒng)是一種趨勢(shì)，手動(dòng)調(diào)節(jié)已不能適應(yīng)當(dāng)今的控制要求。由于智能閥門控制系統(tǒng)工作時(shí)，不再有人的干預(yù)或者人的干預(yù)變得很少，故需要一個(gè)完備的高效的測(cè)試系統(tǒng)來測(cè)試智能閥門控制系統(tǒng)的控制性能，保證智能閥門控制系統(tǒng)工作的可靠性。目前在市場(chǎng)上應(yīng)用的工業(yè)閥門控制系統(tǒng)（IVCS）的測(cè)試儀相對(duì)比較簡(jiǎn)易，而且需要有人直接參與測(cè)試，功能極不完善。因此，針對(duì)智能閥門及其他相關(guān)或類似的（位置、位移）控制系統(tǒng)，迫切需要研究開發(fā)一個(gè)較為完備的多功能的工業(yè)閥門控制系統(tǒng)的測(cè)試儀（MFTS），以給生產(chǎn)和維護(hù)工業(yè)閥門等智能控制系統(tǒng)帶來便利，保證控制系統(tǒng)工作的可靠性。為此，提出了如圖1所示的IVCS的測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)架。

 

    如圖1所示，在IVCS測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)架中，測(cè)試系統(tǒng)有一個(gè)上位機(jī)負(fù)責(zé)管理MFTS，上位機(jī)與MFTS間通過RS-485實(shí)現(xiàn)主從通信，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多達(dá)250個(gè)MFTS的管理。MFTS通過4～20mA的電流信號(hào)測(cè)試所屬的閥門控制系統(tǒng)。一個(gè)MFTS能同時(shí)獨(dú)立測(cè)試8個(gè)閥門控制系統(tǒng)，所以測(cè)試系統(tǒng)能同時(shí)測(cè)試2 000個(gè)閥門控制系統(tǒng)，大大提高了測(cè)試效率。MFTS也可脫離PC機(jī)，作為一個(gè)獨(dú)立的測(cè)試儀工作，測(cè)試所屬的8個(gè)閥門控制系統(tǒng)的工作性能，大大提高了測(cè)試系統(tǒng)工作的靈活性。
    由此可見，MFTS是整個(gè)IVCS測(cè)試系統(tǒng)的核心，本文的研究?jī)?nèi)容也聚焦在MFTS對(duì)IVCS的測(cè)試原理及MFTS的功能需求上。

1 MFTS的測(cè)試原理
    MFTS的測(cè)試對(duì)象主要是IVCS，因此首先需了解IVCS的工作原理。IVCS的職能方塊圖如圖2所示。

    由圖2可知，IVCS是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。其工作原理如下：控制模塊根據(jù)給定的IVCS輸入信號(hào)r(t)，推動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而控制閥門開度。IVCS的輸出信號(hào)c(t)通過位置傳感器反饋到IVCS的輸入端與輸入信號(hào)進(jìn)行比較產(chǎn)生偏差信號(hào)，控制模塊根據(jù)偏差信號(hào)調(diào)節(jié)閥門開度，直到偏差信號(hào)為0為止。

    可見，IVCS的工作過程實(shí)際上是檢測(cè)偏差和糾正偏差的過程，是從動(dòng)態(tài)過渡到穩(wěn)態(tài)的一個(gè)過程。因此MFTS應(yīng)具備測(cè)試IVCS動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)的性能指標(biāo)的功能。在自動(dòng)控制技術(shù)中，控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)及穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)是通過穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和快速性這三個(gè)性能指標(biāo)來衡量的。因此要測(cè)試IVCS工作的可靠性，必須能夠測(cè)試出此控制系統(tǒng)這三個(gè)方面的性能是否滿足要求。
    IVCS的穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在去掉作用于系統(tǒng)上的外界的擾動(dòng)后，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的振蕩傾向和系統(tǒng)的輸出c(t)能夠以足夠的精度恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)位置的能力。準(zhǔn)確性主要體現(xiàn)在系統(tǒng)在控制信號(hào)作用下，穩(wěn)定后系統(tǒng)的輸出量c(t)與給定輸入量r(t)之間的偏差�？焖傩灾饕�體現(xiàn)在系統(tǒng)在控制信號(hào)作用下，當(dāng)輸出量 c(t)與給定的輸入量r(t)之間產(chǎn)生偏差時(shí)，消除這種偏差過程的快速程度。衡量此三要素的性能指標(biāo)如圖3所示。

 

 

1.1 準(zhǔn)確性指標(biāo)測(cè)試方法
    用IVCS輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)值時(shí)實(shí)際輸出c(t)與給定輸入信號(hào)r之間的穩(wěn)態(tài)誤差來表征IVCS的準(zhǔn)確性，即ε_ss=，如圖3所示。測(cè)試過程為：假設(shè)IVCS滿量程輸出對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)為r_max，給IVCS的輸入信號(hào)從0.1r_max，以0.1r_max的量遞增至r_max，共測(cè)試10個(gè)點(diǎn)，以判斷IVCS準(zhǔn)確度分布情況。即初始時(shí)刻給IVCS輸入信號(hào)為r₁=0.1r_max，MFTS測(cè)試IVCS穩(wěn)定后的值為c₁，此時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差ε_ss1=c₁-r₁；再改變輸入信號(hào)為r₂=0.2r_max，穩(wěn)定值為c₂，此時(shí)的穩(wěn)態(tài)誤差ε_ss2=c₂-r₂。依此類推直至測(cè)出10個(gè)點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)誤差值ε_ss1、ε_ss2…ε_ss10。根據(jù)測(cè)出的10個(gè)點(diǎn)的誤差值就可以判別IVCS的平均準(zhǔn)確率、誤差范圍等，即平均準(zhǔn)確率