摘要:論文系統(tǒng)地總結(jié)了自動控制理論和工程應(yīng)用，以及針對機電系統(tǒng)工程的應(yīng)用發(fā)展概況。針對該項目的開發(fā)目標和實際需求較為系統(tǒng)地討論了該軟件的功能分析，包括系統(tǒng)的整體功能、針對控制系統(tǒng)的建模功能、針對控制系統(tǒng)運行的分析計算功能等。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，系統(tǒng)運行分析計算功能的設(shè)計，其中包括對用戶最有價值的穩(wěn)定性分析計算、時域和頻域分析計算等功能的軟件設(shè)計。
　　關(guān)鍵詞：反饋控制；頻域分析；時域分析
　　1、前言
　　面向機電系統(tǒng)控制研發(fā)背景實際需要和培訓機電系統(tǒng)研發(fā)工程師的實際需求，本文論述車輛機電系統(tǒng)控制輔助開發(fā)軟件的設(shè)計和實現(xiàn)。該項目基于通用計算機平臺，面向車輛機電系統(tǒng)控制的特點和要求進行開發(fā)，以最大限度提高開發(fā)效率同時降低開發(fā)試驗成本和培訓成本。
　　2、自動控制基本概念
　　自動控制是目前工業(yè)社會和信息社會運轉(zhuǎn)的重要支柱性技術(shù)，作為實現(xiàn)各種自動化過程的重要的技術(shù)手段，能夠解決多種類型的復雜問題、承擔多種類型的技術(shù)和生產(chǎn)任務(wù)。任何技術(shù)設(shè)備、機器、和生產(chǎn)過程都必須按要求運行。
　　3、機電控制系統(tǒng)及其發(fā)展概況
　　
　　機電控制技術(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)機電控制系統(tǒng)是基于5－13psi的氣動信號標準（氣動控制系統(tǒng)PCS）的簡單的就地操作模式。
　　第二代機電控制系統(tǒng)為模擬式或ACS式，是基于0－10mA或4－20mA的電流模擬信號。
　　第三代機電控制系統(tǒng)是計算機控制系統(tǒng)，70年代開始了數(shù)字計算機的應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的技術(shù)優(yōu)勢，人們在測量、模擬和邏輯控制領(lǐng)域率先使用，從而產(chǎn)生了第三代基于計算機的數(shù)字控制系統(tǒng)。
　　第四代機電控制系統(tǒng)特征為分布式控制系統(tǒng)。隨著半導體制造技術(shù)的飛速發(fā)展，微處理器的普遍使用，計算機技術(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)。
　　第五代機電控制控制系統(tǒng)以現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)：FCS是從DCS發(fā)展而來。主要的總線有Profibus，LonWorks等工業(yè)標準。
　　
　　4、功能分析
　　機電系統(tǒng)建模，包括對控制器、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)該包含線性時域分析和頻域分析技術(shù)，也應(yīng)該實現(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)果進行控制系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算。控制方案綜合評價，在以上輔助設(shè)計和分析的基礎(chǔ)上針具定量和半定量準則分析對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，具體包括對機電控制系統(tǒng)各組成部分如控制器和伺服器的建模、對輸入信號過程建模、外部環(huán)境建模以及隨機干擾信號的建模等方面。對各類控制系統(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)動電機轉(zhuǎn)速和滿足調(diào)速指標等。
　　對機電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的建模針對控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)進行。因為運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現(xiàn)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、試組合、對應(yīng)的響應(yīng)計算和優(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算功能、根軌跡分析功能和時域分析計算功能。對時域分析，該軟件需要具體實現(xiàn)穩(wěn)定性分析、動態(tài)響應(yīng)特性分析(如對單位脈沖響應(yīng)、單位階躍響應(yīng))、自激振蕩特性等，對頻域分析則需要實現(xiàn)常用的伯德圖、奈奎斯特圖的自動生成計算能力。
　　對線性離散系統(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)或類型計算出響應(yīng)的時間序列、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)主要實現(xiàn)對現(xiàn)行系統(tǒng)校正要求的支持，具體功能是對在前面系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上對控制器加入一定的參數(shù)以用來進行性能調(diào)節(jié)。工程師用戶在確定被控設(shè)備對象的動態(tài)特性后，按照被控對象的工況條件，例如被控信號應(yīng)該具有的最大速度和加速度要求、反饋測量精度要求等，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)測量精度、抗干擾要求、被檢測信號的物理性質(zhì)、測量過程中的慣性以及非線性因素選擇合用的測量轉(zhuǎn)換元件，第三步在該基礎(chǔ)上通過該軟件系統(tǒng)的輔助分析計算功能設(shè)計增益可調(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)成上分兩個層次，高層主要為交互式方式工作，實現(xiàn)系統(tǒng)和信號的建模功能、系統(tǒng)的運行分析功能、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。較為底層的是自動實現(xiàn)的各種具體的分析計算功能，最底層為模型庫和數(shù)據(jù)庫管理功能，就和那個用戶建立和分析的模型以及模擬運行數(shù)據(jù)進行存儲和重用。此外該軟件還應(yīng)該針對工業(yè)應(yīng)用中的各種特殊的非標準設(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
　　穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)的最重要的品質(zhì)之一，也是能夠正常運行的首要條件，它保證系統(tǒng)運行不受環(huán)境變化、干擾因素以及參數(shù)變化等影響。穩(wěn)定性使任何偏離預定狀態(tài)的干擾最終都不會導致大的偏差，因此穩(wěn)定性分析時對任何控制系統(tǒng)設(shè)計方案進行評估和分析的必備步驟。
　　4.6時域分析
　　時域分析的主要設(shè)計內(nèi)容就是實現(xiàn)各類模型對象中的響應(yīng)函數(shù)的算法，具有良好通用性，具體計算過程隨具體模型類型不同，整體邏輯設(shè)計如圖1所示。

　　圖1系統(tǒng)運行的時域分析流程
　　
　　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電控制系統(tǒng)在交變輸入信號作用下的運行特性，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，分析計算整體系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行的頻率特性。該功能可以兼顧系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)和干擾抑制兩方面的運行品質(zhì)，在一定程度上適合于對非線性系統(tǒng)的分析和評價。

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

　　圖2系統(tǒng)頻域特性分析流程
　　
　　5、結(jié)論
　　本文對車輛機電控制系統(tǒng)輔助開發(fā)軟件進行了較為系統(tǒng)的論述。此外，這些對象還需要提供這樣的接口，使用戶可以修改參數(shù)、加入擴展功能或替換新功能，由此從原來的對象衍生出新的對象，即原始對象的繼承類，這些新對象按照面向?qū)ο蠓治龊驮O(shè)計的理念與原則和原來的對象一樣可以組合成系統(tǒng)模型，從而大大增強了系統(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象，包括新對象的屬性和方法以便任意擴展現(xiàn)有環(huán)境的表達能力。
　　[參考文獻]
　　[1]賀海龍.自動控制系統(tǒng)[M].北京:化學工業(yè)出版社,2006.
　　[2]何麗波.機電一體化系統(tǒng)概論[M]．北京:宇航出版社,2007.
　　[3]陳伯時.電力控制系統(tǒng)[M].北京:清華大學出版社,2005.