CN100517135C - 自动控制模拟系统及自动控制模拟方法 - Google Patents

Abstract

一种自动控制模拟系统，用于模拟一自动控制系统。自动控制系统包括实体控制器、实体受控对象及实体感测器。自动控制模拟系统包括一计算单元、与该计算单元相连的一参数载入单元及一第一参数调整单元。参数载入单元用于载入自动控制系统的实体受控对象参数并将实体受控对象参数送至计算单元。第一参数调整单元用于调整模拟受控对象参数并将调整后的模拟受控对象参数送至计算单元。计算单元用于根据参数载入单元所载入的实体受控对象参数及第一参数调整单元所输入的参数进行计算得到实体受控对象及模拟受控对象的特性曲线数据。本发明还提供一种自动控制模拟方法。

Description

自动控制模拟系统及自动控制模拟方法

【技术领域】

本发明涉及一种自动控制模拟系统及自动控制模拟方法。

【背景技术】

自动控制可以实现无人化操作，且控制精确度高，其适应了现代工业发展对生产效率、产品品质越来越高的要求，在工业生产各领域中被广泛应用。

一般地，自动控制系统包括一受控对象、一控制器及一感测器。受控对象一般为该自动控制系统的对外动作单元，其可在控制器的控制下进行动作；感测器测量受控对象的状态并将其状态信号送至控制器；控制器根据接收的受控对象状态信号进行计算而发出相对应的控制信号至受控对象，从而构成一闭环动作反馈系统，实现自动控制。

在实际工作中，经常需要测试自动控制系统的各项特性参数，以观察这些特性参数的变化对整个自动控制系统性能的影响。为保证控制器与受控对象、感测器之间的工作配合精准，有时还需要根据受控对象的参数需求来调整控制器和感测器内部的各项参数，从而，控制器方可根据感测器的反馈信号发出与受控对象相应的控制指令。

在进行自动控制系统的测试或参数调试时，需要将测试仪器或参数调试系统与自动控制系统相连接，进行实地的测量或调试。这样，整个测量或调试过程中均需要有自动控制系统本身的参与，而相关人员也必须在现场进行操作，不能实现脱机的工作。当所要测量或调试的是自动控制系统处在特定状态的参数的时候，则必须将自动控制系统置于该特定状态；当自动控制系统是特定的设备而不方便进行测量或调试时，不便之处更加凸显。

【发明内容】

有鉴于此，有必要提供一种不需要自动控制系统全程参与的自动控制模拟系统。

此外，还有必要提供一种自动控制模拟方法。

一种自动控制模拟系统，用于模拟一自动控制系统，所述自动控制系统包括实体控制器、实体受控对象及实体感测器。所述自动控制模拟系统包括一计算单元、与该计算单元相连的一参数载入单元及一第一参数调整单元。所述参数载入单元用于载入所述自动控制系统的实体受控对象产生的实体受控对象参数并将所述实体受控对象参数送至所述计算单元。所述第一参数调整单元用于调整模拟受控对象参数并将调整后的所述模拟受控对象参数送至所述计算单元。所述计算单元用于根据所述参数载入单元所载入的实体受控对象参数及所述第一参数调整单元所输入的参数进行计算得到所述实体受控对象及模拟受控对象的特性曲线数据。

一种自动控制模拟方法，其包括以下步骤：

载入实体受控对象产生的实体受控对象参数；

根据所述实体受控对象参数进行计算得出所述实体受控对象的特性曲线数据；

随机产生一组模拟受控对象参数；

根据所述模拟受控对象参数计算得到模拟受控对象的特性曲线数据；

根据所述实体受控对象的特性曲线数据与所述模拟受控对象的特性曲线数据比较所述模拟受控对象参数与所述实体受控对象参数是否相一致；

调整与所述实体受控对象参数不相一致的所述模拟受控对象参数使其与所述实体受控对象参数相一致。

与现有技术相比，所述自动控制模拟系统与模拟方法仅需在起始时载入实体受控对象参数，即可以模拟出自动控制系统的工作状态。这样便可使得其后对于自动控制系统所进行的各项操作在模拟系统上进行，可以实现脱机工作而不再需要自动控制系统的全程参与。

【附图说明】

图1为自动控制模拟系统之结构示意图；

图2为一光盘播放器的功能结构示意图；

图3为自动控制系统的功能模块图；

图4为自动控制模拟方法流程图；

图5为自动控制模拟系统的受控对象参数调整操作介面图；

图6为自动控制模拟系统的控制器、感测器参数调整操作介面图。

【具体实施方式】

如图1所示，其为自动控制模拟系统30的结构示意图。自动控制模拟系统30包括参数载入单元302、计算单元304、第一参数调整单元306、第二参数调整单元308等。

参数载入单元302用于接收输入之实体受控对象参数，并将该实体受控对象参数送到计算单元304。该参数载入单元302可以是直接与一实体受控对象相连以读入实体受控对象参数，也可以通过其它形式的输入接口载入实体受控对象参数，如通过一输入框输入、载入已有文档等。计算单元304用于进行受控对象参数的计算以及控制各项参数的输入和输出。第一参数调整单元306用于调整自动控制模拟系统30内的模拟受控对象参数，并将调整后的模拟受控对象参数传送至计算单元304；第二参数调整单元308用于调整自动控制模拟系统30内的模拟控制器参数及模拟感测器参数，并将调整后的模拟控制器参数及模拟感测器参数传送至计算单元304。

该自动控制模拟系统30还包括一参数输出单元310，该参数输出单元310可将经过自动控制模拟系统30调试的参数输出。该参数输出单元310可以直接与自动控制系统的实体控制器及实体感测器(请参看图3)相连以便直接将参数输出至实体控制器及实体感测器，也可以将这些参数以其它形式输出，如以文本方式输出至一个文件等。同时，该自动控制模拟系统30还提供一个用于绘制系统参数与系统特性的关系曲线的绘图单元312及一显示介面314，以便使用者可以实时观察到各参数变化对于系统特性曲线的影响。

该自动控制模拟系统30可用于自动控制的各领域，如光盘播放器的自动聚焦及自动循轨系统、电机的转速自动调整等。以下仅以一光盘播放器的自动聚焦及自动循轨系统为例说明该自动控制模拟系统30对自动控制系统的模拟及参数调试。

如图2所示，其为一光盘播放器10的功能结构示意图。该光盘播放器10包括一光学读取头102、一步进电机104、一转轴电机106等。光学读取头102感测从光盘108反射回的光信号并将其转化为电信号传送至运算放大器110。运算放大器110处理所接收的电信号得到光盘播放器10的循轨误差信号、聚焦误差信号等。这些信号被送至信号处理器112，信号处理器112将这些循轨误差信号及聚焦误信号转换为聚焦伺服、循轨伺服调整信号并送至电源驱动器114。电源驱动器114根据收到的聚焦伺服调整信号、循轨伺服调整信号发出驱动信号以驱动步进电机104、转轴电机106的运动，从而调整光学读取头102的聚焦伺服和循轨伺服，实现自动的对焦和循轨。

因此，结合参看图3，光盘播放器10中的运算放大器110可视为自动控制系统中的运算器202；步进电机104、转轴电机106可视为自动控制系统20中的受控对象206；光学读取头102可视为自动控制系统20中的感测器208；信号处理器112、电源驱动器114可视为自动控制系统20中的控制器204。

自动控制模拟系统30工作时，手动或自动载入实体受控对象参数后，由计算单元304进行计算，可以在自动控制模拟系统30内部模拟出与载入的受控对象参数所反应的受控对象206环境相一致的模拟环境。以下将详细说明自动控制模拟系统的工作原理。

自动控制系统20工作时，外部信号R经由运算器202输入自动控制系统20，同时输入运算器202的还有经感测器208感测到的反馈信号Y。经过运算器202运算得到的信号a被输入到控制器204，经控制器204处理运算后得到的信号F被送至受控对象206，由受控对象206输出该自动控制系统20的对外输出信号X，该信号X同时被送至感测器208，经由感测器208处理反馈至运算器202。

由自动控制理论，从运算器202输出的信号a可以表示为：

a＝R-Y                            (1)

(1)式中，R为由外部输入自动控制系统20的信号，Y为自动控制系统20的输出信号X经由感测器208感测处理后的反馈信号，反馈信号Y可以表示为：

Y＝H·X                            (2)

(2)式中，H为感测器208的转移函数，X为自动控制系统20的输出信号。

由控制器204送出至受控对象206的控制信号F表示为：

F＝C·a                            (3)

(3)式中，C为控制器204的转移函数，a为从运算器202输出至控制器204的信号。

经由受控对象206输出的自动控制系统20的最终输出信号X表示为：

X＝G·F                            (4)

(4)式中，G为受控对象206的转移函数，F为从控制器204输出至受控对象206的控制信号。

联立以上的(1)、(2)、(3)、(4)式，可得：

a＝R-X·H                           (5)

X＝a·C·G                          (6)

可得整个自动控制系统20的转移函数为：

$T=\frac{X}{R}=\frac{C\·G}{1+C\·G\·H}---\left(7\right)$

一般地，受控对象206为二阶系统，由自动控制理论，二阶系统模型的转移函数可表示为：

$G\left(s\right)=\frac{K}{{\mathrm{Ts}}^2+s+K}---\left(8\right)$

(8)式中，K为受控对象的弹性变量，T为受控对象的时间常数。(8)式可进一步改写为：

$G\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\ω}}_n^2}{s^2+2\·\mathrm{\ξ}\·{\mathrm{\ω}}_n\·s+{\mathrm{\ω}}_n^2}---\left(9\right)$

(9)式中， ${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{\frac{K}{T},}$ 称为该二阶系统的无阻尼自然振荡频率； $\mathrm{\ξ}=\frac{1}{2\·\sqrt{T\·K}},$ 称为该二阶系统的阻尼比。

根据该受控对象的转移函数，(8)式、(9)式中的K、T、ω、ξ为可调整的受控对象参数。自动控制模拟系统30的第一参数调整单元306可对自动控制模拟系统30内的上述各模拟受控对象参数进行调整，并将这些经过调整的模拟受控对象参数送至计算单元304，由计算单元304依据(8)式、(9)式进行计算从而得出模拟受控对象的特性曲线数据；据以判断，以使得自动控制模拟系统30的模拟受控对象参数与载入的实体受控对象参数所反应的受控对象环境相一致。

控制器204与感测器208的转移函数一般为三类函数的组合，这三数函数分别为：

F₁(s)＝a_P                            (10)

$F_2\left(s\right)=\frac{c_l}{a_l\·s+b_l}---\left(11\right)$

F₃(s)＝a_D·s+b_D                      (12)

其中，a_P、a_l、a_D、b_l、b_D、c_l皆为可调整的控制器204与感测器208的参数。

将(9)式、(10)式、(11)式、(12)式与(7)式联立便可最终得出自动控制系统20的转移函数T(s)，其幅频特性M(ω)＝|T|、相位特性φ(ω)＝∠T反映了自动控制系统20的系统稳定性、误差特性及抗微扰特性等。

从而，整个自动控制系统的幅频特性M(ω)＝|T|、相位特性φ(ω)＝∠T为这些可变参数K、T、ω、ξ、a_P、a_l、a_D、b_l、b_D、c_l等的函数。自动控制模拟系统30的第一参数调整单元306、第二参数调整单元308可对上述各参数进行调整并将这些经调整的参数送至计算单元304，计算单元304依据上述的幅频特性公式与相位特性公式进行计算从而得到自动控制模拟系统的特性曲线数据。

如图4所示，其为自动控制模拟方法的流程图。首先，步骤402，参数载入单元302手动或自动载入实体受控对象参数，并将载入的实体受控对象参数传送到计算单元304。步骤404，计算单元304根据所接收的实体受控对象参数进行计算，得到实体受控对象206的幅频特性曲线M(ω)和相位特性曲线φ(ω)的绘图数据，并将这些绘图数据传送给绘图单元312。步骤406，绘图单元312将所接收的绘图数据转换为显示数据并将显示数据输出到显示介面314，显示介面314将实体受控对象206的幅频特性曲线M(ω)和相位特性曲线φ(ω)显示以提供使用者观察。

步骤408，自动控制模拟系统30随机产生一组模拟受控对象参数。步骤410，计算单元304根据随机产生的这些模拟受控对象参数进行计算，得到模拟受控对象的幅频特性曲线M(ω)和相位特性曲线φ(ω)的绘图数据，并将这些绘图数据传送给绘图单元312。步骤412，绘图单元312将所接收的绘图数据转换为显示数据并将显示数据输出到显示接口314，显示接口314将模拟受控对象的幅频特性曲线M(ω)和相位特性曲线φ(ω)显示以提供使用者观察。

步骤414，根据显示介面314所显示的幅频特性曲线M(ω)和相位特性曲线φ(ω)判断模拟受控对象参数与实体受控对象参数是否一致。若不相一致，则依次执行以下所述的步骤416、步骤418、步骤420。步骤416，第一参数调整单元306调整自动控制模拟系统30的模拟受控对象参数，并将调整后的模拟受控对象参数传送至计算单元304。步骤418，计算单元304根据从第一参数调整单元306所接收到的经过调整后的模拟受控对象参数计算得到模拟受控对象的幅频特性曲线和相位特性曲线的绘图数据并将该绘图数据传送到绘图单元312。步骤420，绘图单元312将所接收的绘图数据转换为显示数据并将显示数据输出到显示介面314，显示介面314将模拟受控对象的幅频特性曲线和相位特性曲线显示以提供给使用者观察。此时，再次执行步骤414，根据显示介面314所显示的曲线判断模拟受控对象参数与实体受控对象参数是否一致，若不一致，则再次依次执行步骤416、步骤418，步骤420并继续进行判断直至模拟受控对象参数与实体受控对象参数一致；如判断结果为模拟受控对象参数与实体受控对象参数相一致，则执行步骤422。

步骤422，第二参数调整单元308调整模拟控制器参数和模拟感测器参数，并将调整后的模拟控制器参数和模拟感测器参数传送到计算单元304。步骤424，计算单元304根据调整后的模拟控制器参数和模拟感测器参数计算得到自动控制模拟系统30的幅频特性曲线和相位特性曲线绘图数据，并将这些绘图数据传送给绘图单元312。步骤426，绘图单元312转换所接收的绘图数据为显示数据并输出到显示介面314，显示介面314将自动控制模拟系统30的幅频特性曲线和相位特性曲线显示以提供给使用者观察。

步骤428，根据显示介面314所显示的自动控制模拟系统30的幅频特性曲线和相位特性曲线判断该自动控制模拟系统30的各参数设置是否符合要求，如系统稳定性、系统抗微扰性能等。如不符合要求，则再次执行步骤422、步骤424、步骤426重新调整模拟控制器参数和模拟感测器参数，并再次进行判断；如符合要求，则执行步骤430，由参数输出单元310将调整得的模拟控制器参数和模拟感测器参数输出到自动控制系统的实体控制器与实体感测器或文档。

在上述自动控制模拟方法中，步骤416对模拟受控对象参数的调整、步骤418对调整后的模拟受控对象参数的计算、步骤420对数据的转换和显示是以实时的方式进行的；步骤422对模拟控制器参数和模拟感测器参数的调整、步骤424对调整后的模拟控制器参数和模拟感测器参数的计算、步骤426对数据的转换和显示也是以实时的方式进行，当进行一次参数调整后，此次参数调整对于特性曲线的影响即会实时通过显示介面显现出来。

如图5所示，其为自动控制模拟系统的受控对象参数调整操作介面图。该操作介面50包括一模拟受控对象参数调整区502、一模拟受控对象特性曲线显示区504。模拟受控对象参数调整区502用于进行自动控制模拟系统30的模拟受控对象参数调整，而模拟受控对象的特性曲线会由模拟受控对象特性曲线显示区504显示。当在模拟受控对象参数调整区502进行一次模拟受控对象参数调整后，这一次参数调整对于自动控制模拟系统30中的模拟受控对象的特性曲线的影响就会通过模拟受控对象特性曲线显示区504实时地显现出来。

如图6所示，其为自动控制模拟系统的模拟控制器、模拟感测器参数调整操作介面示意图。该操作介面60包括一模拟控制器、感测器参数调整区602、一模拟的系统特性曲线显示区604。模拟控制器、感测器参数调整区602用于进行自动控制模拟系统30的模拟控制器及模拟感测器的参数调整；模拟的系统特性曲线显示区604用于显示自动控制系统30的特性曲线。当在模拟控制器、感测器参数调整区602进行一次模拟控制器参数调整或一次模拟感测器参数调整后，这次参数调整对于自动控制模拟系统30的特性曲线的影响就会通过模拟的系统特性曲线显示区604实时显现出来。

本自动控制模拟系统及模拟方法在载入一组实体受控对象参数后，即可以该组参数作为基础完全模拟自动控制系统的工作状态，使得其后的操作可以脱离实体自动控制系统而在模拟系统上进行。同时，该自动控制模拟系统还提供显示介面以便操作者可以实时观察到系统参数(如受控对象参数、控制器参数、感测器参数等)的变化对于系统特性的影响，从而可以清楚地了解到系统的性能变化等。

Claims (10)

1.一种自动控制模拟系统，用于模拟一自动控制系统，所述自动控制系统包括实体控制器、实体受控对象及实体感测器，其特征在于：所述自动控制模拟系统包括一计算单元、与该计算单元相连的一参数载入单元及一第一参数调整单元；所述参数载入单元用于载入所述自动控制系统的实体受控对象产生的实体受控对象参数并将所述实体受控对象参数送至所述计算单元；所述第一参数调整单元用于调整模拟受控对象参数并将调整后的所述模拟受控对象参数送至所述计算单元；所述计算单元用于根据所述参数载入单元所载入的实体受控对象参数及所述第一参数调整单元所输入的参数进行计算得到所述实体受控对象及模拟受控对象的特性曲线数据。

2.如权利要求1所述的自动控制模拟系统，其特征在于：所述特性曲线数据为幅频特性曲线数据和相位特性曲线数据。

3.如权利要求1所述的自动控制模拟系统，其特征在于：所述自动控制模拟系统还包括一第二参数调整单元，所述第二参数调整单元用于调整所述自动控制模拟系统的模拟控制器参数及模拟感测器参数，并将经调整后的模拟控制器参数及模拟感测器参数送到所述计算单元。

4.如权利要求3所述的自动控制模拟系统，其特征在于：所述计算单元用于接收所述经调整后的模拟控制器参数及模拟感测器参数，并计算得到所述自动控制模拟系统的幅频特性曲线数据和相位特性曲线数据。

5.如权利要求1所述的自动控制模拟系统，其特征在于：所述自动控制模拟系统还包括一绘图单元及一显示介面；所述绘图单元与所述计算单元相连，所述绘图单元接收来自所述计算单元的信号并将其转换为显示信号；所述显示介面与所述绘图单元相连，所述显示介面接收所述绘图单元输出的所述显示信号，并根据所接收的所述显示信号显示所述自动控制模拟系统的系统特性曲线。

6.一种自动控制模拟方法，其包括以下步骤：

载入实体受控对象产生的实体受控对象参数；

根据所述实体受控对象参数进行计算得出所述实体受控对象的特性曲线数据；

随机产生一组模拟受控对象参数；

根据所述模拟受控对象参数计算得到模拟受控对象的特性曲线数据；

根据所述实体受控对象的特性曲线数据与所述模拟受控对象的特性曲线数据比较所述模拟受控对象参数与所述实体受控对象参数是否相一致；

调整与所述实体受控对象参数不相一致的所述模拟受控对象参数使其与所述实体受控对象参数相一致。

7.如权利要求6所述的自动控制模拟方法，其特征在于：所述特性曲线数据为幅频特性数据和相位特性曲线数据。

8.如权利要求6所述的自动控制模拟方法，其特征在于：还包括以下步骤：调整模拟控制器参数与模拟感测器参数以使所述模拟控制器参数与模拟感测器参数符合一预定要求。

9.如权利要求8所述的自动控制模拟方法，其特征在于：还包括以下步骤：计算经调整后的模拟控制器参数及模拟感测器参数得到模拟的幅频特性曲线数据和相位特性曲线数据。

10.如权利要求9所述的自动控制模拟方法，其特征在于：还包括以下步骤：将所述幅频特性曲线数据和相位特性曲线数据转换为显示数据以提供显示。

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