摘要:論文系統地總結了自動控制理論和工程應用，以及針對機電系統工程的應用發展概況。針對該項目的開發目標和實際需求較為系統地討論了該軟件的功能分析，包括系統的整體功能、針對控制系統的建模功能、針對控制系統運行的分析計算功能等。在系統分析的基礎上較為系統地討論了針對工程師用戶的控制系統輔助開發功能，著重論述了各類系統模型的建模設計，系統運行分析計算功能的設計，其中包括對用戶最有價值的穩定性分析計算、時域和頻域分析計算等功能的軟件設計。
　　關鍵詞：反饋控制；頻域分析；時域分析
　　1、前言
　　面向機電系統控制研發背景實際需要和培訓機電系統研發工程師的實際需求，本文論述車輛機電系統控制輔助開發軟件的設計和實現。該項目基于通用計算機平臺，面向車輛機電系統控制的特點和要求進行開發，以最大限度提高開發效率同時降低開發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社會和信息社會運轉的重要支柱性技術，作為實現各種自動化過程的重要的技術手段，能夠解決多種類型的復雜問題、承擔多種類型的技術和生產任務。任何技術設備、機器、和生產過程都必須按要求運行。
　　3、機電控制系統及其發展概況
　　
　　機電控制技術的直接應用就是各類工業控制系統，第一代工業機電控制系統是基于5－13psi的氣動信號標準（氣動控制系統PCS）的簡單的就地操作模式。
　　第二代機電控制系統為模擬式或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是計算機控制系統，70年代開始了數字計算機的應用，產生了巨大的技術優勢，人們在測量、模擬和邏輯控制領域率先使用，從而產生了第三代基于計算機的數字控制系統。
　　第四代機電控制系統特征為分布式控制系統。隨著半導體制造技術的飛速發展，微處理器的普遍使用，計算機技術可靠性的大幅度增加，目前普遍使用的是第四代控制系統或分布式數字控制系統。
　　第五代機電控制控制系統以現場總線控制系統：FCS是從DCS發展而來。主要的總線有Profibus，LonWorks等工業標準。
　　
　　4、功能分析
　　機電系統建模，包括對控制器、伺服器和外部干擾過程的定量建模和模擬。根據需要應該包含線性時域分析和頻域分析技術，也應該實現基于狀態空間的分析技術。系統綜合，根據建模和分析結果進行控制系統的參數優化和結構優化計算。控制方案綜合評價，在以上輔助設計和分析的基礎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因素，排選最優設計方案。
　　4.1系統建模功能分析
　　這部分功能是該軟件系統的核心功能之一，具體包括對機電控制系統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、外部環境建模以及隨機干擾信號的建模等方面。對各類控制系統通常建模的核心目的之一是模擬如何調節系統中的被控設備，例如在各類給定工況下調節驅動電機轉速和滿足調速指標等。
　　對機電控制系統結構的建模針對控制系統整體結構進行。因為運用同樣或同類的子系統或功能環節可以通過不同的組合方式構成新的整體特性，因此該模塊要能夠支持高效實現對系統結構的調整、試組合、對應的響應計算和優化。
　　4.2系統分析功能
　　根據控制工程的常見要求，該軟件需要提供的系統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穩定性分析、動態響應特性分析(如對單位脈沖響應、單位階躍響應)、自激振蕩特性等，對頻域分析則需要實現常用的伯德圖、奈奎斯特圖的自動生成計算能力。
　　對線性離散系統該軟件要能夠根據用戶設置的該離散系統的輸入參數或類型計算出響應的時間序列、分析出該離散系統的穩定或不穩定區域等功能，支持工程師正確判斷該系統的響應品質。
　　4.3系統校正與優化功能
　　該系統主要實現對現行系統校正要求的支持，具體功能是對在前面系統分析的基礎上對控制器加入一定的參數以用來進行性能調節。工程師用戶在確定被控設備對象的動態特性后，按照被控對象的工況條件，例如被控信號應該具有的最大速度和加速度要求、反饋測量精度要求等，先初步選定執行器元器件的類型、特性和參數，第二步根據測量精度、抗干擾要求、被檢測信號的物理性質、測量過程中的慣性以及非線性因素選擇合用的測量轉換元件，第三步在該基礎上通過該軟件系統的輔助分析計算功能設計增益可調節的前置放大器和功率放大器。
　　4.4系統功能框架
　　將以上功能匯總就可以給出該軟件系統整體的功能框架。該軟件在功能構成上分兩個層次，高層主要為交互式方式工作，實現系統和信號的建模功能、系統的運行分析功能、校正和優化功能以及必要的輸出管理和數據管理功能。較為底層的是自動實現的各種具體的分析計算功能，最底層為模型庫和數據庫管理功能，就和那個用戶建立和分析的模型以及模擬運行數據進行存儲和重用。此外該軟件還應該針對工業應用中的各種特殊的非標準設備和特性提供管理功能以支持更面向實際的系統建模和分析。
　　
　　4.5穩定性分析設計
　　穩定性是控制系統的最重要的品質之一，也是能夠正常運行的首要條件，它保證系統運行不受環境變化、干擾因素以及參數變化等影響。穩定性使任何偏離預定狀態的干擾最終都不會導致大的偏差，因此穩定性分析時對任何控制系統設計方案進行評估和分析的必備步驟。
　　4.6時域分析
　　時域分析的主要設計內容就是實現各類模型對象中的響應函數的算法，具有良好通用性，具體計算過程隨具體模型類型不同，整體邏輯設計如圖1所示。

　　圖1系統運行的時域分析流程
　　
　　4.7頻域分析
　　軟件提供的線性系統頻域分析功能反映機電控制系統在交變輸入信號作用下的運行特性，它基于工程師用戶設定的設備和元器件和頻率響應特性以及所涉及的控制方案，分析計算整體系統穩態運行的頻率特性。該功能可以兼顧系統的動態響應和干擾抑制兩方面的運行品質，在一定程度上適合于對非線性系統的分析和評價。

　　與系統工程師分析頻率特性的習慣一致，該系統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計。系統頻域分析模塊的計算流程如圖2。

　　圖2系統頻域特性分析流程
　　
　　5、結論
　　本文對車輛機電控制系統輔助開發軟件進行了較為系統的論述。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、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對象分析和設計的理念與原則和原來的對象一樣可以組合成系統模型，從而大大增強了系統的靈活性。最后，該軟件環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有環境的表達能力。
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