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1 前言
自動(dòng)控制系統(tǒng)在調(diào)試過(guò)程中通常會(huì)遇到很多關(guān)于參數(shù)整定的問(wèn)題（如常見(jiàn)的PID參數(shù)整定等）。這些參數(shù)的最終整定情況將直接影響系統(tǒng)的性能指標(biāo)。而對(duì)于這些參數(shù)，在調(diào)試過(guò)程中如果沒(méi)有一種方便有效的整定方法就很難把系統(tǒng)調(diào)到最優(yōu)狀態(tài)。
2 調(diào)試裝置的提出
在早期的控制系統(tǒng)（下文以速度閉環(huán)控制系統(tǒng)為例說(shuō)明）中，調(diào)節(jié)器大部分由模擬線路實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的各種參數(shù)只能通過(guò)調(diào)節(jié)電位計(jì)，更換電阻、電容等方法來(lái)調(diào)整。由于操作的不便利以及器件的離散性和系統(tǒng)本身各參數(shù)之間的相互影響等原因，系統(tǒng)的調(diào)試比較困難，也不容易把參數(shù)整定到最佳值。調(diào)參數(shù)有時(shí)需要更換元器件，因此也不能實(shí)現(xiàn)完全在線參數(shù)整定。隨著數(shù)字調(diào)節(jié)器的應(yīng)用，相應(yīng)的參數(shù)整定也有了新的思路和方法。在許多工程實(shí)踐當(dāng)中，由于條件限制和成本考慮，數(shù)字控制器作為核心控制部件只用于完成控制模型和邏輯功能的實(shí)現(xiàn)，與外部的操控接口界面很單一，只是上電、斷電、模擬量給定等一些簡(jiǎn)單輸入，輸出則只能看系統(tǒng)的響應(yīng)動(dòng)作，沒(méi)有量化的內(nèi)容。系統(tǒng)的調(diào)試還需要斷電重新更改程序，然后開(kāi)電操作，一步步調(diào)整才能完成，很不方便。
基于不改變?cè)袛?shù)字控制器功能，而又要簡(jiǎn)化系統(tǒng)參數(shù)整定和調(diào)試過(guò)程的考慮，于是就提出了設(shè)計(jì)一個(gè)接口簡(jiǎn)單、界面友好、輸入輸出方便的通用調(diào)試裝置的構(gòu)想。該裝置主要由主控單元、鍵盤(pán)顯示屏單元、信號(hào)發(fā)生單元、輸入輸出單元等部分構(gòu)成。主控單元核心部件選擇華邦的W77LE58芯片，該芯片工作電壓為2.7~5.5V，集成了32K flash程序存儲(chǔ)器和1K+256 SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，有雙串口功能，并有較快的指令執(zhí)行速度，實(shí)踐證明對(duì)于這種便攜的調(diào)試裝置很適用。裝置通過(guò)485串口線及輸出量監(jiān)控線和輸入激勵(lì)線與系統(tǒng)相連。連接框圖如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)連接框圖
3 工作原理
具體的工作原理是，操作人員通過(guò)鍵盤(pán)選擇合適的激勵(lì)信號(hào)作用于系統(tǒng)后，觀察系統(tǒng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作及顯示屏輸出的系統(tǒng)參數(shù)和狀態(tài)，判斷系統(tǒng)的響應(yīng)情況，并由此確定下一步調(diào)整的參數(shù)值，通過(guò)鍵盤(pán)寫(xiě)入相應(yīng)值，觀察系統(tǒng)參數(shù)更改后的響應(yīng)情況，也可以重新加激勵(lì)，觀察系統(tǒng)對(duì)各個(gè)頻帶的響應(yīng)情況，經(jīng)過(guò)反復(fù)的參數(shù)調(diào)整，直到系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)。
4 硬件構(gòu)成
原系統(tǒng)需增加EEPROM來(lái)存儲(chǔ)更改后的參數(shù)值，擴(kuò)展485串口與裝置通信。
調(diào)試裝置的主控板以W77LE58為主控部件，完成對(duì)AD、DA芯片的控制，并處理來(lái)自外部的數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生相關(guān)的邏輯；串口1通過(guò)485芯片與控制系統(tǒng)連接，輸入和輸出控制系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)；串口2通過(guò)485芯片與鍵盤(pán)顯示單元連接，處理外部輸入的信息，并把結(jié)果傳給顯示屏。信號(hào)發(fā)生單元主要由正弦波、三角波、方波、鋸齒波和階躍信號(hào)發(fā)生器等組成（這些信號(hào)發(fā)生器還可用于調(diào)試功率放大器如PWM的產(chǎn)生電路等）。輸入輸出單元主要用于信號(hào)隔離、調(diào)節(jié)和放大等處理，由光藕、運(yùn)算放大器、三極管等電路組成。
5 軟件說(shuō)明
系統(tǒng)主控制器在每個(gè)采樣周期把相關(guān)的各監(jiān)控量和狀態(tài)字存于某一段存儲(chǔ)單元中，并接收來(lái)自串口的中斷，通過(guò)中斷程序把相應(yīng)已存儲(chǔ)的數(shù)值和現(xiàn)在各參數(shù)值傳給調(diào)試裝置，并接收來(lái)自調(diào)試裝置的控制參數(shù)和狀態(tài)命令。退出中斷后把相應(yīng)的參數(shù)存入 EEPROM單元中，并按命令字執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。系統(tǒng)主控制器中斷程序框圖如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)主控制器中斷程序框圖
調(diào)試裝置的程序主要完成鍵盤(pán)掃描、顯示控制、激勵(lì)控制、系統(tǒng)輸出采樣轉(zhuǎn)換等任務(wù)。調(diào)試裝置主控制器程序框圖如圖3所示。
圖3 調(diào)試裝置主控制器程序框圖
參數(shù)的調(diào)整不一定僅僅局限于傳統(tǒng)的PID閉環(huán)調(diào)節(jié)器參數(shù)，其他一些可變參數(shù)都可以通過(guò)該裝置來(lái)調(diào)節(jié)，如積分器的限幅參數(shù)、角度值、系統(tǒng)時(shí)間值等。這些參數(shù)的可調(diào)整性將大大降低系統(tǒng)調(diào)試的工作量，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況監(jiān)測(cè)，為故障診斷提供了可靠的依據(jù)。
6 應(yīng)用專(zhuān)家系統(tǒng)構(gòu)成的智能調(diào)試裝置
如果把用于判別系統(tǒng)激勵(lì)和響應(yīng)的關(guān)系后作出相應(yīng)參數(shù)更改決策的專(zhuān)家系統(tǒng)編程寫(xiě)入調(diào)試裝置后，調(diào)試裝置可智能完成系統(tǒng)的參數(shù)整定過(guò)程。具體操作是把系統(tǒng)的目標(biāo)參數(shù)（如調(diào)節(jié)時(shí)間，超調(diào)量等）通過(guò)鍵盤(pán)寫(xiě)入調(diào)試裝置后，調(diào)試裝置通過(guò)專(zhuān)家系統(tǒng)自動(dòng)給出相應(yīng)的激勵(lì)并判斷響應(yīng)、更改參數(shù)，直到系統(tǒng)最終達(dá)到指標(biāo)要求。專(zhuān)家系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)是基于受控對(duì)象和控制規(guī)律的各種知識(shí)，以智能的方式來(lái)利用這些知識(shí)，求得受控系統(tǒng)盡可能的優(yōu)化和實(shí)用化，它反映出智能控制的許多重要特征和功能。隨著微機(jī)技術(shù)和人工技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種形式的專(zhuān)家控制器。下面以利用專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)來(lái)建立PID參數(shù)為例說(shuō)明：
專(zhuān)家PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。它是在PID算法的基礎(chǔ)上，增加了誤差e和誤差變化△e以及查Fuzzy矩陣、查知識(shí)集、知識(shí)調(diào)整幾個(gè)軟件模塊。
圖4 專(zhuān)家PID控制系統(tǒng)原理框圖
這種集合了專(zhuān)家PID控制器的智能化調(diào)試裝置能根據(jù)專(zhuān)家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)實(shí)時(shí)調(diào)整PID參數(shù)，具有良好的控制特性和魯棒性。此外，主控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，執(zhí)行時(shí)間短，因此應(yīng)用于控制系統(tǒng)中可以大大簡(jiǎn)化調(diào)試過(guò)程，并提高系統(tǒng)的性能和適應(yīng)性。
7 結(jié)論
大量的工程實(shí)踐證明該調(diào)試裝置在簡(jiǎn)化系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程，減少系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)降低成本，增加系統(tǒng)保密性，提高系統(tǒng)可靠性等方面都具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)