摘 要： 将控制理论应用于工业阀门控制系统（IVCS）的测试中，提出了IVCS较为完善的测试方法。介绍了多功能工业阀门控制系统测试仪（MFTS）的测试原理，给出了MFTS的功能需求及以MSP430单片机为核心的实现方案。
关键词： 测试仪 阀门 MSP430
工业阀门控制广泛地应用于冶金、制药、石油等工业领域，随着工业自动化的发展，采用智能阀门控制系统是一种趋势，手动调节已不能适应当今的控制要求。由于智能阀门控制系统工作时，不再有人的干预或者人的干预变得很少，故需要一个完备的高效的测试系统来测试智能阀门控制系统的控制性能，保证智能阀门控制系统工作的可靠性。目前在市场上应用的工业阀门控制系统（IVCS）的测试仪相对比较简易，而且需要有人直接参与测试，功能极不完善。因此，针对智能阀门及其他相关或类似的（位置、位移）控制系统，迫切需要研究开发一个较为完备的多功能的工业阀门控制系统的测试仪（MFTS），以给生产和维护工业阀门等智能控制系统带来便利，保证控制系统工作的可靠性。为此，提出了如图1所示的IVCS的测试系统的构架。
如图1所示，在IVCS测试系统的构架中，测试系统有一个上位机负责管理MFTS，上位机与MFTS间通过RS-485实现主从通信，能同时实现对多达250个MFTS的管理。MFTS通过4～20mA的电流信号测试所属的阀门控制系统。一个MFTS能同时独立测试8个阀门控制系统，所以测试系统能同时测试2 000个阀门控制系统，大大提高了测试效率。MFTS也可脱离PC机，作为一个独立的测试仪工作，测试所属的8个阀门控制系统的工作性能，大大提高了测试系统工作的灵活性。
由此可见，MFTS是整个IVCS测试系统的核心，本文的研究内容也聚焦在MFTS对IVCS的测试原理及MFTS的功能需求上。
1 MFTS的测试原理
MFTS的测试对象主要是IVCS，因此首先需了解IVCS的工作原理。IVCS的职能方块图如图2所示。
由图2可知，IVCS是一个闭环控制系统。其工作原理如下：控制模块根据给定的IVCS输入信号r(t)，推动电机驱动阀门执行机构，从而控制阀门开度。IVCS的输出信号c(t)通过位置传感器反馈到IVCS的输入端与输入信号进行比较产生偏差信号，控制模块根据偏差信号调节阀门开度，直到偏差信号为0为止。
可见，IVCS的工作过程实际上是检测偏差和纠正偏差的过程，是从动态过渡到稳态的一个过程。因此MFTS应具备测试IVCS动态及稳态的性能指标的功能。在自动控制技术中，控制系统的动态及稳态性能指标是通过稳定性、准确性和快速性这三个性能指标来衡量的。因此要测试IVCS工作的可靠性，必须能够测试出此控制系统这三个方面的性能是否满足要求。
IVCS的稳定性主要体现在去掉作用于系统上的外界的扰动后，系统动态过程的振荡倾向和系统的输出c(t)能够以足够的精度恢复到原来的平衡状态位置的能力。准确性主要体现在系统在控制信号作用下，稳定后系统的输出量c(t)与给定输入量r(t)之间的偏差。快速性主要体现在系统在控制信号作用下，当输出量 c(t)与给定的输入量r(t)之间产生偏差时，消除这种偏差过程的快速程度。衡量此三要素的性能指标如图3所示。
1.1 准确性指标测试方法
用IVCS输出达到稳态值时实际输出c(t)与给定输入信号r之间的稳态误差来表征IVCS的准确性，即εss=
，如图3所示。测试过程为：假设IVCS满量程输出对应的输入信号为rmax，给IVCS的输入信号从0.1rmax，以0.1rmax的量递增至rmax，共测试10个点，以判断IVCS准确度分布情况。即初始时刻给IVCS输入信号为r1=0.1rmax，MFTS测试IVCS稳定后的值为c1，此时的稳态误差εss1=c1-r1；再改变输入信号为r2=0.2rmax，稳定值为c2，此时的稳态误差εss2=c2-r2。依此类推直至测出10个点的稳态误差值εss1、εss2…εss10。根据测出的10个点的误差值就可以判别IVCS的平均准确率、误差范围等，即平均准确率
