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1 前言
自動控制系統(tǒng)在調(diào)試過程中通常會遇到很多關(guān)于參數(shù)整定的問題（如常見的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。而對于這些參數(shù)，在調(diào)試過程中如果沒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)為例說明）中，調(diào)節(jié)器大部分由模擬線路實現(xiàn)。系統(tǒng)的各種參數(shù)只能通過調(diào)節(jié)電位計，更換電阻、電容等方法來調(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)有時需要更換元器件，因此也不能實現(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。在許多工程實踐當中，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單輸入，輸出則只能看系統(tǒng)的響應(yīng)動作，沒有量化的內(nèi)容。系統(tǒng)的調(diào)試還需要斷電重新更改程序，然后開電操作，一步步調(diào)整才能完成，很不方便。
基于不改變原有數(shù)字控制器功能，而又要簡化系統(tǒng)參數(shù)整定和調(diào)試過程的考慮，于是就提出了設(shè)計一個接口簡單、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、鍵盤顯示屏單元、信號發(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程序存儲器和1K+256 SRAM數(shù)據(jù)存儲器，有雙串口功能，并有較快的指令執(zhí)行速度，實踐證明對于這種便攜的調(diào)試裝置很適用。裝置通過485串口線及輸出量監(jiān)控線和輸入激勵線與系統(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，操作人員通過鍵盤選擇合適的激勵信號作用于系統(tǒng)后，觀察系統(tǒng)機構(gòu)動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，通過鍵盤寫入相應(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，觀察系統(tǒng)對各個頻帶的響應(yīng)情況，經(jīng)過反復(fù)的參數(shù)調(diào)整，直到系統(tǒng)達到最優(yōu)。
4 硬件構(gòu)成
原系統(tǒng)需增加EEPROM來存儲更改后的參數(shù)值，擴展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AD、DA芯片的控制，并處理來自外部的數(shù)字信號產(chǎn)生相關(guān)的邏輯；串口1通過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485芯片與鍵盤顯示單元連接，處理外部輸入的信息，并把結(jié)果傳給顯示屏。信號發(fā)生單元主要由正弦波、三角波、方波、鋸齒波和階躍信號發(fā)生器等組成（這些信號發(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隔離、調(diào)節(jié)和放大等處理，由光藕、運算放大器、三極管等電路組成。
5 軟件說明
系統(tǒng)主控制器在每個采樣周期把相關(guān)的各監(jiān)控量和狀態(tài)字存于某一段存儲單元中，并接收來自串口的中斷，通過中斷程序把相應(yīng)已存儲的數(shù)值和現(xiàn)在各參數(shù)值傳給調(diào)試裝置，并接收來自調(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掃描、顯示控制、激勵控制、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)都可以通過該裝置來調(diào)節(jié)，如積分器的限幅參數(shù)、角度值、系統(tǒng)時間值等。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，同時對系統(tǒng)運行情況監(jiān)測，為故障診斷提供了可靠的依據(jù)。
6 應(yīng)用專家系統(tǒng)構(gòu)成的智能調(diào)試裝置
如果把用于判別系統(tǒng)激勵和響應(yīng)的關(guān)系后作出相應(yīng)參數(shù)更改決策的專家系統(tǒng)編程寫入調(diào)試裝置后，調(diào)試裝置可智能完成系統(tǒng)的參數(shù)整定過程。具體操作是把系統(tǒng)的目標參數(shù)（如調(diào)節(jié)時間，超調(diào)量等）通過鍵盤寫入調(diào)試裝置后，調(diào)試裝置通過專家系統(tǒng)自動給出相應(yīng)的激勵并判斷響應(yīng)、更改參數(shù)，直到系統(tǒng)最終達到指標要求。專家系統(tǒng)的實質(zhì)是基于受控對象和控制規(guī)律的各種知識，以智能的方式來利用這些知識，求得受控系統(tǒng)盡可能的優(yōu)化和實用化，它反映出智能控制的許多重要特征和功能。隨著微機技術(shù)和人工技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種形式的專家控制器。下面以利用專家經(jīng)驗來建立PID參數(shù)為例說明：
專家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、查知識集、知識調(diào)整幾個軟件模塊。
圖4 專家PID控制系統(tǒng)原理框圖
這種集合了專家PID控制器的智能化調(diào)試裝置能根據(jù)專家知識和經(jīng)驗實時調(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)簡單，執(zhí)行時間短，因此應(yīng)用于控制系統(tǒng)中可以大大簡化調(diào)試過程，并提高系統(tǒng)的性能和適應(yīng)性。
7 結(jié)論
大量的工程實踐證明該調(diào)試裝置在簡化系統(tǒng)調(diào)試過程，減少系統(tǒng)開銷降低成本，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)實意義。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號