如何使用Arduino進(jìn)行控制系統(tǒng)狀態(tài)測試裝置的設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)中的信號可以表示成不同頻率的正弦信號的合成。控制系統(tǒng)的頻率特性反應(yīng)了正弦信號作用下系統(tǒng)的響應(yīng)性能。使用頻率特性來研究線性系統(tǒng)的經(jīng)典方法稱為頻域分析法。系統(tǒng)的頻率特性具有物理意義明確、控制系統(tǒng)的頻域設(shè)計(jì)可以兼顧動態(tài)響應(yīng)和噪聲抑制兩方面要求，以及使用頻域分析法不僅適用于線性定常系統(tǒng)，還可推廣應(yīng)用與某些非線性系統(tǒng)等特點(diǎn)。要研究一個(gè)系統(tǒng)的性能，測量其頻率特性是非常重要的。

　　本文主要以Arduino單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了一個(gè)頻率特性測試裝置。文中主要闡述了該裝置的結(jié)構(gòu)、工作原理和性能特點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)主要包括信號發(fā)生電路、信號源穩(wěn)壓電路、信號轉(zhuǎn)換電路及待測電路。

　　該裝置的硬件成本較低，結(jié)構(gòu)也簡單，同時(shí)，軟件設(shè)計(jì)靈活，具有精度高、測量范圍寬、使用方便等特點(diǎn)。測量系統(tǒng)頻率特性的方法有很多，一般有系統(tǒng)傳遞函數(shù)法，單位脈沖信號測試法或?qū)ふ?a href='http://ttokpm.com/v/tag/1472/' target='_blank' class='arckwlink_none'>機(jī)械系統(tǒng)的諧振點(diǎn)等，我采用的是以掃頻正弦波作為測試信號的頻域測量方法，在沒有頻率特性測試儀的情況下，逐點(diǎn)改變信號源頻率，測量系統(tǒng)再該頻率下的響應(yīng)的辦法來研究系統(tǒng)的頻率特性。頻率特性測量儀使用方便，但價(jià)格昂貴。逐點(diǎn)測量法，有利于我們弄清系統(tǒng)頻率特性的概念和物理意義。

　　隨著電子工業(yè)的迅猛發(fā)展，各式各樣的測量工具也不斷涌現(xiàn)，而且比以往的更高級也更加先進(jìn)，特別是在精度方面，更符合人們的要求，經(jīng)過長時(shí)間的市場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)通用的模擬式頻率特性測試儀在使用中存在兩個(gè)問題，一是不能直接得到相頻特征，二是不能保存系統(tǒng)頻率特征數(shù)值。這樣就大大的增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本（此處沒有必要寫），此外還會由于測量精度不夠準(zhǔn)確，造成一定量的測量誤差，從而影響系統(tǒng)的測量質(zhì)量，針對這一現(xiàn)象我決定開發(fā)設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的頻率特性測試儀，在微處理器控制下，Arduino單片機(jī)和DDS頻率合成器構(gòu)成的頻率特性測試儀，它與PC機(jī)通過RS232C口連接，根據(jù)這一原理構(gòu)成的數(shù)字式頻率特性測試儀，實(shí)現(xiàn)了被測網(wǎng)絡(luò)的頻率特性的測試及數(shù)字的顯示。實(shí)驗(yàn)證明，這種單片機(jī)控制的數(shù)字式系統(tǒng)頻率特征測試儀體積小，系統(tǒng)穩(wěn)定，使用簡單。相比之下，基于單片機(jī)的頻率特性測試儀體現(xiàn)出強(qiáng)大的優(yōu)越性，現(xiàn)在所開發(fā)的這種基于單片機(jī)的頻率特征測試儀，不但成本低廉，而且工作性能穩(wěn)定，還能為人們提供感官上的人性化服務(wù)，測量儀器正朝著數(shù)字化，智能化，虛擬化方向發(fā)展。

　　隨著數(shù)字測量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，根據(jù)國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀分析，設(shè)計(jì)和制作掃頻儀的技術(shù)條件也越來越先進(jìn)。目前，國外生產(chǎn)的頻率特性測試儀大多是采用單片機(jī)和相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成，平且越來越精密，這種電路接受比較準(zhǔn)確可靠，是未來發(fā)展研究的方向，該儀器硬件結(jié)構(gòu)簡單，軟件設(shè)計(jì)靈活，具有測量范圍廣，精度高，使用方便等特點(diǎn)。

　　在控制系統(tǒng)的領(lǐng)域中，設(shè)計(jì)和控制一個(gè)系統(tǒng)我們首先要知道一個(gè)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，但是一些多輸入多輸出系統(tǒng)直接測量其數(shù)學(xué)模型又很麻煩。自控控制系統(tǒng)中我們知道，我們可以測量一個(gè)系統(tǒng)的頻率特性，通過系統(tǒng)的固有的頻率特性經(jīng)過計(jì)算我們可以得到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而可以對系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)就是基于這種理念，設(shè)計(jì)制作一種可以方便測量各種系統(tǒng)的頻率特性的裝置，來滿足廣大科研人員的需要，達(dá)到更加簡潔，更加方便，更加靈活的特點(diǎn)。

　　利用微分方程式求解系統(tǒng)動態(tài)過程，可以比較直觀地看出輸出量隨時(shí)間變化。但是用微分方程式求解系統(tǒng)的動態(tài)過程比較麻煩，系統(tǒng)越復(fù)雜，微分方程的階次越高，求解微分方程的計(jì)算工作量越大。

　　我們可以用時(shí)域方法導(dǎo)出二階和三階系統(tǒng)特征參數(shù)與動態(tài)過程的關(guān)系。但對于高階系統(tǒng)，很難看出某個(gè)環(huán)節(jié)和參數(shù)對整個(gè)系統(tǒng)的動態(tài)過程有怎樣的影響；當(dāng)系統(tǒng)的動態(tài)特性不能滿足生產(chǎn)工藝要求時(shí)，很難確定應(yīng)采用什么樣的措施才能改進(jìn)系統(tǒng)的動態(tài)特性。如果要需要改變某些參數(shù)或加進(jìn)某些環(huán)節(jié)來改變系統(tǒng)的動態(tài)特性時(shí)，就需要重新進(jìn)行計(jì)算，很不方便。

　　在工程實(shí)踐中，通常不希望進(jìn)行大量繁復(fù)的計(jì)算，而要求能夠比較簡單地分析出系統(tǒng)各參數(shù)對動態(tài)特性的影響，以及加進(jìn)某些環(huán)節(jié)以后對系統(tǒng)的動態(tài)特性又有怎樣的改進(jìn)，此外，在實(shí)際上往往并不需要把系統(tǒng)動態(tài)變化過程全部準(zhǔn)確地計(jì)算出來，而希望有一種簡便的判斷動態(tài)過程的品質(zhì)（如超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間）和穩(wěn)態(tài)誤差的方法。

　　通?？刂葡到y(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)性能可以通過控制系統(tǒng)的運(yùn)態(tài)行為表示，對于二階及以下的線性和非線性系統(tǒng)可以利用該系統(tǒng)在某輸入作用下或在某初始條件下的相軌跡描述。本題目的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)基于Arduino單片機(jī)的控制系統(tǒng)狀態(tài)測試硬件裝置及控制系統(tǒng)狀態(tài)測試軟件程序。

　　本畢業(yè)設(shè)計(jì)要求構(gòu)造基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)狀態(tài)測試硬件、編寫單片機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)狀態(tài)測試。該設(shè)計(jì)應(yīng)包括：

　　設(shè)計(jì)基于Arduino單片機(jī)的控制系統(tǒng)狀態(tài)測試硬件；

　　編制基于Arduino單片機(jī)的控制系統(tǒng)狀態(tài)測試程序。

　　畢設(shè)方案：

　　學(xué)習(xí)單片機(jī)工作原理和編程方法。

　　編制控制系統(tǒng)狀態(tài)測試程序。

　　編制上位計(jì)算機(jī)相平面圖繪制程序。

　　編寫串口通訊程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)測試裝置與上位計(jì)算機(jī)通訊。

　　題目完成后應(yīng)達(dá)到：實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)測量，上位機(jī)通訊。

　　題目完成后應(yīng)達(dá)到：可模擬實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)測量。