??? 由圖2可知，IVCS是一個閉環(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" title="輸入信號">輸入信號r(t)，推動電機(jī)驅(qū)動閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而控制閥門開度。IVCS的輸出信號c(t)通過位置傳感器反饋到IVCS的輸入端與輸入信號進(jìn)行比較產(chǎn)生偏差信號，控制模塊根據(jù)偏差信號調(diào)節(jié)閥門開度，直到偏差信號為0為止。

??? 可見，IVCS的工作過程實(shí)際上是檢測偏差和糾正偏差的過程，是從動態(tài)過渡到穩(wěn)態(tài)的一個過程。因此MFTS應(yīng)具備測試IVCS動態(tài)及穩(wěn)態(tài)的性能指標(biāo)的功能。在自動控制技術(shù)中，控制系統(tǒng)的動態(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性能指標(biāo)來衡量的。因此要測試IVCS工作的可靠性，必須能夠測試出此控制系統(tǒng)這三個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)上的外界的擾動后，系統(tǒng)動態(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w現(xiàn)在系統(tǒng)在控制信號作用下，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。

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1.1 準(zhǔn)確性指標(biāo)測試方法
??? 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。測試過程為：假設(shè)IVCS滿量程輸出對應(yīng)的輸入信號為r_max，給IVCS的輸入信號從0.1r_max，以0.1r_max的量遞增至r_max，共測試10個點(diǎn)，以判斷IVCS準(zhǔn)確度分布情況。即初始時(shí)刻給IVCS輸入信號為r₁=0.1r_max，MFTS測試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。依此類推直至測出10個點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)誤差值ε_ss1、ε_ss2…ε_ss10。根據(jù)測出的10個點(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，誤差范圍為Min(ε_ss)≤ε_ss≤Max(ε_ss)，并且測試結(jié)果" title="測試結(jié)果">測試結(jié)果可以以曲線圖形的方式直觀地表示出來。
1.2 快速性指標(biāo)測試方法
??? 用IVCS輸出第一次達(dá)到誤差范圍內(nèi)的穩(wěn)態(tài)值時(shí)所需要的時(shí)間t_s來表征IVCS的快速性，即，如圖3所示。測試過程如下：同樣以0.1rmax的量遞增的信號作為IVCS的輸入信號，即初始時(shí)刻給IVCS輸入信號為r1=0.1r_max，MFTS測得IVCS的輸出第一次達(dá)到誤差范圍內(nèi)的穩(wěn)態(tài)值時(shí)所需要的時(shí)間為t_s1，那么此時(shí)表征IVCS響應(yīng)快速性的指標(biāo)即用響應(yīng)時(shí)間t_s1來表示。依此類推直至測出10個點(diǎn)的響應(yīng)時(shí)間值t_s1、t_s2…t_s10。根據(jù)測出的10個點(diǎn)的響應(yīng)時(shí)間值就可以分析判別IVCS響應(yīng)的快速性，并且測試結(jié)果可以以曲線圖形的方式直觀地表示出來。
1.3 穩(wěn)定性指標(biāo)測試方法
??? 根據(jù)穩(wěn)定性的定義：去掉作用于IVCS上的外界的擾動后，IVCS動態(tài)過程的振蕩傾向和IVCS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。由此得出衡量IVCS穩(wěn)定性的兩個指標(biāo)：其一是衡量IVCS動態(tài)過程的振蕩傾向的指標(biāo)，其二是輸出c(t)能夠以足夠的精度恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài)位置的能力的指標(biāo)。
1.3.1 衡量IVCS動態(tài)過程的振蕩傾向的指標(biāo)Δn
??? 工業(yè)上，不同工況對系統(tǒng)振蕩傾向的要求也不同，如制藥中對此要求非常嚴(yán)格。因?yàn)樗幊煞值呐浔炔煌?，產(chǎn)生的藥效就不一樣，甚至嚴(yán)重的還可能還會導(dǎo)致醫(yī)療事故，所以制藥上所用的閥門對振蕩傾向要求很嚴(yán)格，要求閥門就穩(wěn)定在一個位置，基本上能克服任何干擾的影響。當(dāng)然對于石油、冶金業(yè)來說，這方面的要求就不那么嚴(yán)格了。因?yàn)镸FTS是通用的測試儀，當(dāng)然也包含這一性能指標(biāo)的測試。
??? 對于振蕩傾向指標(biāo)的測試，用IVCS輸出達(dá)到誤差范圍內(nèi)的穩(wěn)態(tài)值時(shí)，輸出c(t)隨時(shí)間推移出現(xiàn)的抖動的次數(shù)率Δn來衡量，即Δn=∑n_i/t（次/小時(shí)），如圖3所示。測試過程如下：某時(shí)給定IVCS輸入信號r，MFTS判斷系統(tǒng)穩(wěn)定后，以一小時(shí)為單位測試系統(tǒng)輸出抖動的次數(shù)，測試24小時(shí)，即24次，從Δn₁到Δn₂₄。根據(jù)測試結(jié)果可以判別IVCS一天平均每小時(shí)抖動次數(shù)、一天每小時(shí)抖動次數(shù)范圍等，即一天平均每小時(shí)抖動次數(shù)，一天每小時(shí)抖動次數(shù)范圍Min(Δn)≤Δn≤Max(Δn)，并且測試結(jié)果可以以曲線圖形的方式直觀地表示出來。
1.3.2 恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)位置的能力指標(biāo)
??? 這個指標(biāo)指的是去掉干擾后，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。
??? 恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)位置的能力指標(biāo)有兩個：一個是恢復(fù)的快速性Δt，一個是恢復(fù)的精確性Δe。取圖3中某個抖動的波形來分析恢復(fù)到原來平衡狀態(tài)位置的能力指標(biāo)，放大后圖形如圖4所示。

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??? 測量方法:假設(shè)某時(shí)刻系統(tǒng)的輸入信號為r₁，輸出穩(wěn)定在c₁，此時(shí)給一個干擾信號，使輸入信號瞬間由r₁變?yōu)閞₂，又由r₂變?yōu)閞₁，輸出穩(wěn)定后為c₂。那么恢復(fù)的精度Δe的測量方法是，恢復(fù)的快速性Δt的測量方法是。

2 MFTS的功能需求及實(shí)現(xiàn)
??? 結(jié)合MFTS的測試原理及IVCS的職能框圖，得出MFTS職能方塊圖如圖5所示，虛線框內(nèi)為IVCS職能方塊圖。由圖5可見，MFTS一方面需要測試IVCS的控制性能（穩(wěn)、準(zhǔn)、快），另一方面還需要測試控制模塊的控制精度及閥門流量的實(shí)際精度。MFTS給定測試信號r(t)給IVCS，IVCS輸出信號c(t)經(jīng)位置傳感器反饋回MFTS，MFTS根據(jù)反饋的信號實(shí)時(shí)地與給定信號r(t)比較，得出IVCS的控制性能。此外，控制模塊的輸出信號反饋給MFTS與給定信號r(t)比較，以測試控制模塊的控制精度，閥門的輸出信號q(t)經(jīng)流量計(jì)反饋回MFTS與給定信號r(t)比較，以測試閥門流量的實(shí)際精度以及閥門開度和閥門實(shí)際流量的對應(yīng)關(guān)系。

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??? 因此根據(jù)IVCS測試系統(tǒng)的構(gòu)架、MFTS的工作原理及其測試原理，MFTS應(yīng)具備以下一些功能。
??? (1)與上位機(jī)（PC機(jī)）的通信功能
??? MFTS直接與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，應(yīng)具有串行通信接口，能內(nèi)嵌利用現(xiàn)場總線思想實(shí)現(xiàn)的自定義通信協(xié)議。上位機(jī)以自定義的通信協(xié)議，以主從通信的方式，可同時(shí)控制多個MFTS，同時(shí)自動完成多臺IVCS的測試。
??? (2)8路ADC和DAC功能
??? MFTS通過輸出4～20mA電流模擬信號作為測試信號給IVCS，需要DAC功能；同時(shí)，MFTS需要檢測IVCS反饋的表示閥門開度的電流模擬信號，需要ADC功能；由于MFTS需要具備同時(shí)測試8組IVCS的能力，所以MFTS需要8通道的ADC功能和8通道的DAC功能。
??? (3)8路脈沖檢測功能
??? 如圖5所示，MFTS需要附加檢測每個IVCS中的閥門的開度和閥門的實(shí)際流量的對應(yīng)關(guān)系及閥門流量精度，流量計(jì)檢測的流量信號通常以脈沖信號的方式輸出，所以MFTS應(yīng)具有脈沖檢測功能，為配合系統(tǒng)的測試功能，MFTS需要同時(shí)檢測8路流量計(jì)的信號，需要8路脈沖檢測功能。
??? (4)人機(jī)交互及數(shù)據(jù)存儲
??? MFTS需要能在脫離上位機(jī)狀態(tài)下獨(dú)立工作，提高測試系統(tǒng)工作的靈活性，所以MFTS需要很強(qiáng)大的人機(jī)界面和數(shù)據(jù)存儲功能，人機(jī)界面包括鍵盤、顯示、打印功能。顯示方式以點(diǎn)陣液晶顯示為佳，能顯示漢字、曲線。MFTS作為一個獨(dú)立的測試儀，能同時(shí)測試8組IVCS，所以需要有很大數(shù)據(jù)存儲容量來保存記錄和測試結(jié)果，以便日后測試人員調(diào)用顯示或打印分析檢驗(yàn)測試結(jié)果。
??? 根據(jù)上述需求，得出MFTS的功能框圖如圖6所示。

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??? 其中測試儀CPU選用高性能超低功耗16位MSP430149系列的單片機(jī)作為核心處理器。該單片機(jī)具有豐富的片內(nèi)資源，具有8通道的12位A/D轉(zhuǎn)換器ADC12，10路PWM功能實(shí)現(xiàn)10通道12位DAC功能，2個同步/異步串行通信接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的RS-485通信及打印機(jī)的接口，數(shù)十個可實(shí)現(xiàn)方向設(shè)置及中斷功能的I/O口實(shí)現(xiàn)8路脈沖檢測功能，60KB+256B FLASH ROM和2KB的RAM實(shí)現(xiàn)大容量的數(shù)據(jù)存儲。選用該系列單片機(jī)能單片實(shí)現(xiàn)MFTS的功能，無須再擴(kuò)展外部模塊，可提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，降低系統(tǒng)成本。

??? 本文根據(jù)工業(yè)閥門控制系統(tǒng)的測試的需求，提出了較為完善的工業(yè)閥門控制系統(tǒng)（IVCS）測試方案。所開發(fā)的多功能工業(yè)閥門控制系統(tǒng)測試儀（MFTS）已成功地應(yīng)用于工業(yè)閥門控制系統(tǒng)的測試，給生產(chǎn)和維護(hù)IVCS帶來了便利，提高了企業(yè)產(chǎn)品的競爭力和生產(chǎn)效率，為企業(yè)帶來了巨大的效益。
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