??? 摘 要： 將控制理論應用于工業閥門控制系統" title="控制系統">控制系統（IVCS）的測試中，提出了IVCS較為完善的測試方法。介紹了多功能工業閥門控制系統測試儀（MFTS）的測試原理，給出了MFTS的功能需求及以MSP430單片機為核心的實現方案。
??? 關鍵詞： 測試儀? 閥門? MSP430
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??? 工業閥門控制廣泛地應用于冶金、制藥、石油等工業領域，隨著工業自動化的發展，采用智能閥門控制系統是一種趨勢，手動調節已不能適應當今的控制要求。由于智能閥門控制系統工作時，不再有人的干預或者人的干預變得很少，故需要一個完備的高效的測試系統" title="測試系統">測試系統來測試智能閥門控制系統的控制性能，保證智能閥門控制系統工作的可靠性。目前在市場上應用的工業閥門控制系統（IVCS）的測試儀相對比較簡易，而且需要有人直接參與測試，功能極不完善。因此，針對智能閥門及其他相關或類似的（位置、位移）控制系統，迫切需要研究開發一個較為完備的多功能的工業閥門控制系統的測試儀（MFTS），以給生產和維護工業閥門等智能控制系統帶來便利，保證控制系統工作的可靠性。為此，提出了如圖1所示的IVCS的測試系統的構架。
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??? 如圖1所示，在IVCS測試系統的構架中，測試系統有一個上位機" title="上位機">上位機負責管理MFTS，上位機與MFTS間通過RS-485實現主從通信，能同時實現對多達250個MFTS的管理。MFTS通過4～20mA的電流信號測試所屬的閥門控制系統。一個MFTS能同時獨立測試8個閥門控制系統，所以測試系統能同時測試2 000個閥門控制系統，大大提高了測試效率。MFTS也可脫離PC機，作為一個獨立的測試儀工作，測試所屬的8個閥門控制系統的工作性能，大大提高了測試系統工作的靈活性。
??? 由此可見，MFTS是整個IVCS測試系統的核心，本文的研究內容也聚焦在MFTS對IVCS的測試原理及MFTS的功能需求上。
1 MFTS的測試原理
??? MFTS的測試對象主要是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是一個閉環控制系統。其工作原理如下：控制模塊根據給定的IVCS輸入信號" title="輸入信號">輸入信號r(t)，推動電機驅動閥門執行機構，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行比較產生偏差信號，控制模塊根據偏差信號調節閥門開度，直到偏差信號為0為止。
??? 可見，IVCS的工作過程實際上是檢測偏差和糾正偏差的過程，是從動態過渡到穩態的一個過程。因此MFTS應具備測試IVCS動態及穩態的性能指標的功能。在自動控制技術中，控制系統的動態及穩態性能指標是通過穩定性、準確性和快速性這三個性能指標來衡量的。因此要測試IVCS工作的可靠性，必須能夠測試出此控制系統這三個方面的性能是否滿足要求。
??? IVCS的穩定性主要體現在去掉作用于系統上的外界的擾動后，系統動態過程的振蕩傾向和系統的輸出c(t)能夠以足夠的精度恢復到原來的平衡狀態位置的能力。準確性主要體現在系統在控制信號作用下，穩定后系統的輸出量c(t)與給定輸入量r(t)之間的偏差。快速性主要體現在系統在控制信號作用下，當輸出量 c(t)與給定的輸入量r(t)之間產生偏差時，消除這種偏差過程的快速程度。衡量此三要素的性能指標如圖3所示。
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1.1 準確性指標測試方法
??? 用IVCS輸出達到穩態值時實際輸出c(t)與給定輸入信號r之間的穩態誤差來表征IVCS的準確性，即εss=
，如圖3所示。測試過程為：假設IVCS滿量程輸出對應的輸入信號為rmax，給IVCS的輸入信號從0.1rmax，以0.1rmax的量遞增至rmax，共測試10個點，以判斷IVCS準確度分布情況。即初始時刻給IVCS輸入信號為r1=0.1rmax，MFTS測試IVCS穩定后的值為c1，此時的穩態誤差εss1=c1-r1；再改變輸入信號為r2=0.2rmax，穩定值為c2，此時的穩態誤差εss2=c2-r2。依此類推直至測出10個點的穩態誤差值εss1、εss2…εss10。根據測出的10個點的誤差值就可以判別IVCS的平均準確率、誤差范圍等，即平均準確率
，誤差范圍為Min(εss)≤εss≤Max(εss)，并且測試結果" title="測試結果">測試結果可以以曲線圖形的方式直觀地表示出來。
1.2 快速性指標測試方法
??? 用IVCS輸出第一次達到誤差范圍內的穩態值時所需要的時間ts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，即初始時刻給IVCS輸入信號為r1=0.1rmax，MFTS測得IVCS的輸出第一次達到誤差范圍內的穩態值時所需要的時間為ts1，那么此時表征IVCS響應快速性的指標即用響應時間ts1來表示。依此類推直至測出10個點的響應時間值ts1、ts2…ts10。根據測出的10個點的響應時間值就可以分析判別IVCS響應的快速性，并且測試結果可以以曲線圖形的方式直觀地表示出來。
1.3 穩定性指標測試方法
??? 根據穩定性的定義：去掉作用于IVCS上的外界的擾動后，IVCS動態過程的振蕩傾向和IVCS的輸出c(t)能夠以足夠的精度恢復到原來的平衡狀態位置的能力。由此得出衡量IVCS穩定性的兩個指標：其一是衡量IVCS動態過程的振蕩傾向的指標，其二是輸出c(t)能夠以足夠的精度恢復到原來的平衡狀態位置的能力的指標。
1.3.1 衡量IVCS動態過程的振蕩傾向的指標Δn
??? 工業上，不同工況對系統振蕩傾向的要求也不同，如制藥中對此要求非常嚴格。因為藥成分的配比不同，產生的藥效就不一樣，甚至嚴重的還可能還會導致醫療事故，所以制藥上所用的閥門對振蕩傾向要求很嚴格，要求閥門就穩定在一個位置，基本上能克服任何干擾的影響。當然對于石油、冶金業來說，這方面的要求就不那么嚴格了。因為MFTS是通用的測試儀，當然也包含這一性能指標的測試。
??? 對于振蕩傾向指標的測試，用IVCS輸出達到誤差范圍內的穩態值時，輸出c(t)隨時間推移出現的抖動的次數率Δn來衡量，即Δn=∑ni/t（次/小時），如圖3所示。測試過程如下：某時給定IVCS輸入信號r，MFTS判斷系統穩定后，以一小時為單位測試系統輸出抖動的次數，測試24小時，即24次，從Δn1到Δn24。根據測試結果可以判別IVCS一天平均每小時抖動次數、一天每小時抖動次數范圍等，即一天平均每小時抖動次數
，一天每小時抖動次數范圍Min(Δn)≤Δn≤Max(Δn)，并且測試結果可以以曲線圖形的方式直觀地表示出來。
1.3.2 恢復到原來平衡狀態位置的能力指標
??? 這個指標指的是去掉干擾后，系統的輸出c(t)能夠以足夠的精度恢復到原來的平衡狀態位置的能力。
??? 恢復到原來平衡狀態位置的能力指標有兩個：一個是恢復的快速性Δt，一個是恢復的精確性Δe。取圖3中某個抖動的波形來分析恢復到原來平衡狀態位置的能力指標，放大后圖形如圖4所示。
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??? 測量方法:假設某時刻系統的輸入信號為r1，輸出穩定在c1，此時給一個干擾信號，使輸入信號瞬間由r1變為r2，又由r2變為r1，輸出穩定后為c2。那么恢復的精度Δe的測量方法是
，恢復的快速性Δt的測量方法是
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2 MFTS的功能需求及實現
??? 結合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、準、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際精度。MFTS給定測試信號r(t)給IVCS，IVCS輸出信號c(t)經位置傳感器反饋回MFTS，MFTS根據反饋的信號實時地與給定信號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)經流量計反饋回MFTS與給定信號r(t)比較，以測試閥門流量的實際精度以及閥門開度和閥門實際流量的對應關系。
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??? 因此根據IVCS測試系統的構架、MFTS的工作原理及其測試原理，MFTS應具備以下一些功能。
??? (1)與上位機（PC機）的通信功能
??? MFTS直接與上位機實現數據交換，應具有串行通信接口，能內嵌利用現場總線思想實現的自定義通信協議。上位機以自定義的通信協議，以主從通信的方式，可同時控制多個MFTS，同時自動完成多臺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，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際流量的對應關系及閥門流量精度，流量計檢測的流量信號通常以脈沖信號的方式輸出，所以MFTS應具有脈沖檢測功能，為配合系統的測試功能，MFTS需要同時檢測8路流量計的信號，需要8路脈沖檢測功能。
??? (4)人機交互及數據存儲
??? MFTS需要能在脫離上位機狀態下獨立工作，提高測試系統工作的靈活性，所以MFTS需要很強大的人機界面和數據存儲功能，人機界面包括鍵盤、顯示、打印功能。顯示方式以點陣液晶顯示為佳，能顯示漢字、曲線。MFTS作為一個獨立的測試儀，能同時測試8組IVCS，所以需要有很大數據存儲容量來保存記錄和測試結果，以便日后測試人員調用顯示或打印分析檢驗測試結果。
??? 根據上述需求，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系列的單片機作為核心處理器。該單片機具有豐富的片內資源，具有8通道的12位A/D轉換器ADC12，10路PWM功能實現10通道12位DAC功能，2個同步/異步串行通信接口實現與上位機的RS-485通信及打印機的接口，數十個可實現方向設置及中斷功能的I/O口實現8路脈沖檢測功能，60KB+256B FLASH ROM和2KB的RAM實現大容量的數據存儲。選用該系列單片機能單片實現MFTS的功能，無須再擴展外部模塊，可提高系統運行的可靠性，降低系統成本。
??? 本文根據工業閥門控制系統的測試的需求，提出了較為完善的工業閥門控制系統（IVCS）測試方案。所開發的多功能工業閥門控制系統測試儀（MFTS）已成功地應用于工業閥門控制系統的測試，給生產和維護IVCS帶來了便利，提高了企業產品的競爭力和生產效率，為企業帶來了巨大的效益。
參考文獻
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