摘要:论文系统地总结了自动控制理论和工程应用，以及针对机电系统工程的应用发展概况。针对该项目的开发目标和实际需求较为系统地讨论了该软件的功能分析，包括系统的整体功能、针对控制系统的建模功能、针对控制系统运行的分析计算功能等。在系统分析的基础上较为系统地讨论了针对工程师用户的控制系统辅助开发功能，着重论述了各类系统模型的建模设计，系统运行分析计算功能的设计，其中包括对用户最有价值的稳定性分析计算、时域和频域分析计算等功能的软件设计。
关键词：反馈控制；频域分析；时域分析
1、前言
面向机电系统控制研发背景实际需要和培训机电系统研发工程师的实际需求，本文论述车辆机电系统控制辅助开发软件的设计和实现。该项目基于通用计算机平台，面向车辆机电系统控制的特点和要求进行开发，以最大限度提高开发效率同时降低开发试验成本和培训成本。
2、自动控制基本概念
自动控制是目前工业社会和信息社会运转的重要支柱性技术，作为实现各种自动化过程的重要的技术手段，能够解决多种类型的复杂问题、承担多种类型的技术和生产任务。任何技术设备、机器、和生产过程都必须按要求运行。
3、机电控制系统及其发展概况
机电控制技术的直接应用就是各类工业控制系统，第一代工业机电控制系统是基于5－13psi的气动信号标准（气动控制系统PCS）的简单的就地操作模式。
第二代机电控制系统为模拟式或ACS式，是基于0－10mA或4－20mA的电流模拟信号。
第三代机电控制系统是计算机控制系统，70年代开始了数字计算机的应用，产生了巨大的技术优势，人们在测量、模拟和逻辑控制领域率先使用，从而产生了第三代基于计算机的数字控制系统。
第四代机电控制系统特征为分布式控制系统。随着半导体制造技术的飞速发展，微处理器的普遍使用，计算机技术可靠性的大幅度增加，目前普遍使用的是第四代控制系统或分布式数字控制系统。
第五代机电控制控制系统以现场总线控制系统：FCS是从DCS发展而来。主要的总线有Profibus，LonWorks等工业标准。
4、功能分析
机电系统建模，包括对控制器、伺服器和外部干扰过程的定量建模和模拟。根据需要应该包含线性时域分析和频域分析技术，也应该实现基于状态空间的分析技术。系统综合，根据建模和分析结果进行控制系统的参数优化和结构优化计算。控制方案综合评价，在以上辅助设计和分析的基础上针具定量和半定量准则分析对比各种控制方案的性能和其他相关因素，排选最优设计方案。
4.1系统建模功能分析
这部分功能是该软件系统的核心功能之一，具体包括对机电控制系统各组成部分如控制器和伺服器的建模、对输入信号过程建模、外部环境建模以及随机干扰信号的建模等方面。对各类控制系统通常建模的核心目的之一是模拟如何调节系统中的被控设备，例如在各类给定工况下调节驱动电机转速和满足调速指标等。
对机电控制系统结构的建模针对控制系统整体结构进行。因为运用同样或同类的子系统或功能环节可以通过不同的组合方式构成新的整体特性，因此该模块要能够支持高效实现对系统结构的调整、试组合、对应的响应计算和优化。
4.2系统分析功能
根据控制工程的常见要求，该软件需要提供的系统分析功能包括频域分析计算功能、根轨迹分析功能和时域分析计算功能。对时域分析，该软件需要具体实现稳定性分析、动态响应特性分析(如对单位脉冲响应、单位阶跃响应)、自激振荡特性等，对频域分析则需要实现常用的伯德图、奈奎斯特图的自动生成计算能力。
对线性离散系统该软件要能够根据用户设置的该离散系统的输入参数或类型计算出响应的时间序列、分析出该离散系统的稳定或不稳定区域等功能，支持工程师正确判断该系统的响应品质。
4.3系统校正与优化功能
该系统主要实现对现行系统校正要求的支持，具体功能是对在前面系统分析的基础上对控制器加入一定的参数以用来进行性能调节。工程师用户在确定被控设备对象的动态特性后，按照被控对象的工况条件，例如被控信号应该具有的最大速度和加速度要求、反馈测量精度要求等，先初步选定执行器元器件的类型、特性和参数，第二步根据测量精度、抗干扰要求、被检测信号的物理性质、测量过程中的惯性以及非线性因素选择合用的测量转换元件，第三步在该基础上通过该软件系统的辅助分析计算功能设计增益可调节的前置放大器和功率放大器。
4.4系统功能框架
将以上功能汇总就可以给出该软件系统整体的功能框架。该软件在功能构成上分两个层次，高层主要为交互式方式工作，实现系统和信号的建模功能、系统的运行分析功能、校正和优化功能以及必要的输出管理和数据管理功能。较为底层的是自动实现的各种具体的分析计算功能，最底层为模型库和数据库管理功能，就和那个用户建立和分析的模型以及模拟运行数据进行存储和重用。此外该软件还应该针对工业应用中的各种特殊的非标准设备和特性提供管理功能以支持更面向实际的系统建模和分析。
4.5稳定性分析设计
稳定性是控制系统的最重要的品质之一，也是能够正常运行的首要条件，它保证系统运行不受环境变化、干扰因素以及参数变化等影响。稳定性使任何偏离预定状态的干扰最终都不会导致大的偏差，因此稳定性分析时对任何控制系统设计方案进行评估和分析的必备步骤。
4.6时域分析
时域分析的主要设计内容就是实现各类模型对象中的响应函数的算法，具有良好通用性，具体计算过程随具体模型类型不同，整体逻辑设计如图1所示。
图1系统运行的时域分析流程
4.7频域分析
软件提供的线性系统频域分析功能反映机电控制系统在交变输入信号作用下的运行特性，它基于工程师用户设定的设备和元器件和频率响应特性以及所涉及的控制方案，分析计算整体系统稳态运行的频率特性。该功能可以兼顾系统的动态响应和干扰抑制两方面的运行品质，在一定程度上适合于对非线性系统的分析和评价。
与系统工程师分析频率特性的习惯一致，该系统也分别提供幅频特性和相频特性的计算分析，但两者在算法上是一致的进行设计。系统频域分析模块的计算流程如图2。
图2系统频域特性分析流程
5、结论
本文对车辆机电控制系统辅助开发软件进行了较为系统的论述。此外，这些对象还需要提供这样的接口，使用户可以修改参数、加入扩展功能或替换新功能，由此从原来的对象衍生出新的对象，即原始对象的继承类，这些新对象按照面向对象分析和设计的理念与原则和原来的对象一样可以组合成系统模型，从而大大增强了系统的灵活性。最后，该软件环境还提供这样一类的接口，使用户可以定义完全新的对象，包括新对象的属性和方法以便任意扩展现有环境的表达能力。
[参考文献]
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