一种仿真测试平台和伺服控制模块开发方法

摘要

本发明涉及一种仿真测试平台，包括：信号输入接口电路，用于与被测伺服控制模块的信号输出接口电路连接，采集被测伺服控制模块信号并对采集的信号进行信号转换，获得输入数据；仿真计算模块，包含伺服控制系统仿真模型，用于伺服控制系统仿真模型根据输入数据进行运算，获得输出数据；信号输出接口电路，用于与被测伺服控制模块的信号输入接口电路连接，对输出数据进行信号转换，获得被测伺服控制模块可输入的信号；通信模块，用于获取被测伺服控制模块的内部实时数据；分析模块，用于获取仿真测试平台的内部实时数据，并根据被测伺服控制模块的内部实时数据和仿真测试平台的内部实时数据进行分析。测试精度高，且能用于指导伺服控制模块开发。

说明书

技术领域

本发明涉及电气自动化技术领域，尤其涉及一种仿真测试平台和伺服控制模块开发方法。

背景技术

伺服系统是使物体的位置、方位、状态等输出，能够跟随输入量(或给定值)的任意变化而变化的自动控制系统。在工业控制领域，伺服系统也指能够以一定准确度响应控制信号的系统。伺服控制模块是伺服系统中使用的板卡，用以驱动伺服设备执行动作。

目前对于伺服系统的测试有两种方式。一种是直接以实际设备(伺服系统)进行测试(纯硬件)，这种测试方式成本高、操作步骤繁琐且测试参数固定，具体来说：1、搭建电液伺服控制平台，需要液压站、液压缸、伺服阀、线性位移传感器和相关附件，过程非常繁琐，投入大，占地大，周期长；2、一个搭建好的电液伺服平台的特性往往比较固定，若需要不同特性的测试平台，则需要搭建不同的平台。另一种是伺服系统全部在仿真测试平台上进行测试(纯软件)，存在以下问题：纯软件的仿真测试由于伺服控制模块和受控对象都是虚拟的，往往无法精确的表示实际的控制效果。

为此，亟需一种测试简单、准确、灵活性强的用于伺服系统的仿真测试平台。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术中存在的问题，本发明至少从一定程度上进行解决。为此，本发明的第一个目的在于提出一种仿真测试平台，仿真测试的精确程度高，并且能够用于指导伺服控制模块开发。

本发明的第二个目的在于提出一种基于上述仿真测试平台的伺服控制模块开发方法。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明提供一种仿真测试平台，用于对伺服控制模块进行仿真测试，仿真测试平台包括：

信号输入接口电路，用于与被测伺服控制模块的信号输出接口电路连接，采集被测伺服控制模块信号并对采集的信号进行信号转换，获得输入数据。

仿真计算模块，包含伺服控制系统仿真模型，用于伺服控制系统仿真模型根据输入数据进行运算，获得输出数据。

信号输出接口电路，用于与被测伺服控制模块的信号输入接口电路连接，对输出数据进行信号转换，获得被测伺服控制模块可输入的信号。

通信模块，用于获取被测伺服控制模块的内部实时数据。

分析模块，用于获取仿真测试平台的内部实时数据，并根据被测伺服控制模块的内部实时数据和仿真测试平台的内部实时数据进行分析。

可选地，信号输入接口电路包括：信号采集电路，用于将输入的不同类型的伺服控制模块信号转换为仿真平台可采集的信号；信号转换电路，用于将输入的模拟量信号转换为数字量信号。

信号输出接口电路包括：信号转换电路，用于将仿真模型输出的数字量信号转换为模拟量信号；信号传送电路，用于将仿真模型输出的信号转换为被测伺服控制模块可输入的信号类型。

可选地，仿真测试平台还包括：输入数据处理模块，用于对输入数据进行预处理；输出数据处理模块，用于对输出数据进行预处理。相应地，仿真计算模块，用于伺服控制系统仿真模型根据预处理的输入数据进行运算，获得输出数据；信号输出接口电路，用于对预处理的输出数据进行信号转换，获得被测伺服控制模块可输入的信号。

可选地，仿真测试平台还包括：模型参数库模块，用于记录和读取历史模型参数配置；配置模块，用于根据模型参数库对伺服控制系统仿真模型进行参数配置。

可选地，模型参数包括增益参数、迟滞时间参数、死区时间参数、初始负载参数、模型死区参数、传感器噪声参数、初始位置值和模型噪声参数。

可选地，分析模块包括显示单元；显示单元，用于对被测伺服控制模块的内部实时数据和/或仿真测试平台的内部实时数据进行显示，以及对分析结果进行显示。

本发明提供一种伺服控制模块开发方法，包括：将被测伺服控制模块的信号输出接口电路与仿真测试平台的信号输入接口电路连接，将被测伺服控制模块的信号输入接口电路与仿真测试平台的信号输出接口电路连接，将通信接口电路与被测伺服控制模块通讯连接；启动仿真测试平台，对被测伺服控制模块进行仿真测试，以及对被测伺服控制模块的性能，控制效果进行分析；根据仿真测试平台的分析结果指导伺服控制模块的开发。

作为伺服控制模块开发方法的一种改进，还包括：启动仿真测试平台，对被测伺服控制模块进行自动调零处理和调幅处理。

作为伺服控制模块开发方法的一种改进，还包括：将开发完成的伺服控制模块的信号输出接口电路与真实伺服控制平台的信号输入接口电路连接，将真实伺服控制平台的信号输出接口电路与开发完成的伺服控制模块的信号输入接口电路连接，将仿真测试平台的通信接口电路与开发完成的伺服控制模块通讯连接；启动真实伺服控制平台，以及启动仿真测试平台的分析模块进行开发完成的伺服控制模块内部实时数据的显示，调整开发完成的伺服控制模块的PID参数，测试开发完成的伺服控制模块能否正常控制真实伺服控制平台。

作为伺服控制模块开发方法的一种改进，还包括：将被测伺服控制模块的信号输出接口电路与真实伺服控制平台的信号输入接口电路连接，将真实伺服控制平台的信号输出接口电路与被测伺服控制模块的信号输入接口电路连接，将仿真测试平台的通信接口电路与被测伺服控制模块通讯连接；启动真实伺服控制平台，以及启动仿真测试平台的分析模块进行被测伺服控制模块内部实时数据的显示，将被测伺服控制模块的设定值设置为实时改变的值，根据仿真测试平台显示的被测伺服控制模块内部实时数据，监测被测伺服控制模块的控制过程。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

1、本发明提出的仿真测试平台，是软硬件结合的装置，具备实际的信号输入输出硬件和可灵活配置的软件仿真模型，能够对纯硬件的伺服控制模块进行仿真测试，无需对伺服控制模块进行建模(即软件的伺服控制模块)实现仿真测试，进而能够提高仿真测试的精确程度。并且仿真测试平台的分析模块，能够获取被测伺服控制模块的内部实时数据和仿真测试平台的内部实时数据，每种类型的内部实时数据都具有时间戳，根据两种不同类型的内部实时数据进行分析适用于伺服控制模块性能、控制效果的分析，如两种不同类型内部实时数据进行对比，可以精确计算伺服控制模块的输入精度、输出精度、响应速度等性能参数，单独分析一种类型内部实时数据可以用于分析伺服控制模块的稳定时间、超调等性能，进而指导伺服控制模块的开发过程，提高开发速度，快速验证新开发功能，以开发出符合使用要求的伺服控制模块。

2、本发明提出的仿真测试平台，还能够用于伺服控制模块调零调幅功能的仿真测试。

3、通过仿真测试平台和真实伺服控制平台的联合使用，能够实现伺服控制模块与真实伺服控制平台的联调，以及伺服控制模块的长期稳定性能测试。

附图说明

本发明借助于以下附图进行描述：

图1为根据本发明实施例1的仿真测试平台的结构示意图；

图2为根据本发明实施例2和实施例4的单独使用仿真测试平台对伺服控制模块进行测试的结构示意图；

图3为根据本发明实施例3和实施例5的联合使用仿真测试平台和真实伺服控制平台对伺服控制模块进行测试的结构示意图；

图4为根据本发明具体实施方式的单独使用仿真测试平台对伺服控制模块进行测试的实例的结构示意图。

【附图标记说明】

1：仿真测试平台；

11：信号输入接口电路；12：输入数据处理模块；13：信号输出接口电路；14：输出数据处理模块；15：仿真计算模块；16：配置模块；17：模型参数库模块；18：通信接口电路；19：通信模块；20：分析模块；21：显示单元；

3：被测伺服控制模块；

4：电液伺服控制平台。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

实施例1

如图1和图2所示，本发明提出一种仿真测试平台1，该仿真测试平台1用于对伺服控制模块进行仿真测试，仿真测试平台1包括信号输入接口电路11，仿真计算模块15，信号输出接口电路13，通信模块19和分析模块20。

其中，信号输入接口电路11，用于与被测伺服控制模块3的信号输出接口电路13连接，采集被测伺服控制模块3信号并对采集的信号进行信号转换，获得输入数据。仿真计算模块15，包含伺服控制系统仿真模型，用于伺服控制系统仿真模型根据输入数据进行运算，获得输出数据。信号输出接口电路13，用于与被测伺服控制模块3的信号输入接口电路11连接，对输出数据进行信号转换，获得被测伺服控制模块3可输入的信号。通信模块19，用于获取被测伺服控制模块3的内部实时数据。分析模块20，用于获取仿真测试平台1的内部实时数据，并根据被测伺服控制模块3的内部实时数据和仿真测试平台1的内部实时数据进行分析。

具体地，被测伺服控制模块3的内部实时数据包括伺服控制模块内部的输入采样数据、输出数据和位置设定值；仿真测试平台1的内部实时数据包括仿真测试平台1的输入数据和输出数据。

如此设置的仿真测试平台1，是软硬件结合的装置，具备实际的信号输入输出硬件和软件仿真模型，能够对纯硬件的伺服控制模块进行仿真测试，无需对伺服控制模块进行建模(即软件的伺服控制模块)实现仿真测试，进而能够提高仿真测试的精确程度。并且仿真测试平台1的分析模块20，能够获取被测伺服控制模块3的内部实时数据和仿真测试平台1的内部实时数据，每种类型的内部实时数据都具有时间戳，根据两种不同类型的内部实时数据进行分析适用于伺服控制模块性能、控制效果的分析，如两种不同类型内部实时数据进行对比，可以精确计算伺服控制模块的输入精度、输出精度、响应速度等性能参数，单独分析一种类型内部实时数据可以用于分析伺服控制模块的稳定时间、超调等性能，进而指导伺服控制模块的开发过程，提高开发速度，快速验证新开发功能，以开发出符合使用要求的伺服控制模块。

进一步地，信号输入接口电路11包括信号采集电路和信号转换电路；信号采集电路，用于将输入的不同类型的伺服控制模块信号转换为仿真平台可采集的信号；信号转换电路，用于将输入的模拟量信号转换为数字量信号(即输入数据)。具体地，作为一个示例，信号输入接口电路11为多通道，即该信号输入接口电路11可以同时采集多路信号。

进一步地，信号输出接口电路13包括信号转换电路和信号传送电路；信号转换电路，用于将仿真模型输出的数字量信号(即输出数据)转换为模拟量信号；信号传送电路，用于将仿真模型输出的信号转换为被测伺服控制模块3可输入的信号类型。具体地，作为一个示例，信号输出接口电路13为多通道，即该信号输出接口电路13可以同时输出多路信号。

优选地，仿真测试平台1还包括输入数据处理模块12和输出数据处理模块14；输入数据处理模块12，用于对输入数据进行预处理；仿真计算模块15，用于伺服控制系统仿真模型根据预处理的输入数据进行运算，获得输出数据；输出数据处理模块14，用于对输出数据进行预处理；信号输出接口电路13，用于对预处理的输出数据进行信号转换，获得被测伺服控制模块3可输入的信号。

具体地，对输入数据进行预处理，包括多通道数据的融合和数据单位转换。如此，使预处理的输入数据符合仿真计算模块15的输入数据类型和范围。具体地，对输出数据进行预处理，包括数据的多通道分配和数据单位转换。如此，使预处理的输出数据符合被测伺服控制模块3的输入数据类型和范围。

具体地，仿真测试平台1的内部实时数据包括仿真测试平台1的输入数据，预处理的输入数据，输出数据。如此，能够更准确地对伺服控制模块的性能和控制效果进行分析。

进一步地，仿真测试平台1还包括通信接口电路18；通信接口电路18用于与被测伺服控制模块3通讯连接，使通信模块19获取被测伺服控制模块3的内部实时数据。

优选地，仿真测试平台1还包括配置模块16，配置模块16用于对伺服控制系统仿真模型进行参数配置。如此，用户可以通过配置模块16对伺服控制系统仿真模型进行参数配置，使伺服控制系统仿真模型具备不同的特性，以模拟不同的伺服控制平台。作为一个示例，伺服控制系统仿真模型为电液伺服控制系统仿真模型，将庞大的电液伺服控制平台4，包括液压站、液压缸、伺服阀、线性位移传感器等抽象为一个仿真模型。

优选地，仿真测试平台1还包括模型参数库模块17，模型参数库模块17用于记录和读取历史模型参数配置；配置模块16还用于根据模型参数库对伺服控制系统仿真模型进行参数配置。如此，能够在使用中不断丰富模型参数库；比如被测伺服控制模块3即将用于GE燃气轮机、罗罗燃气轮机伺服控制，则可将符合这两种燃机伺服控制系统特性的模型参数存入模型参数库中，在伺服控制模块的开发过程中便可使用仿真平台快速快速验证伺服控制模块的功能和测试其性能。模型参数库模块17是仿真测试平台1中极为重要的模块，丰富且准确的模型参数库可保证仿真测试平台1的可信度。

优选地，模型参数包括增益参数、迟滞时间参数、死区时间参数、初始负载参数、模型死区参数、传感器噪声参数、初始位置值和模型噪声参数。通过上述参数构建的伺服控制系统仿真模型，精度高，并且通过修改上述参数，该模型也能够模拟任何受控系统。

以电液伺服控制系统仿真模型为例，对模型参数解释说明如下：

增益参数：电液控制系统中液压杆的粗细、液压油压力的大小、伺服阀开度等因素都会影响系统的动作的速度，可以抽象为增益参数，即伺服控制系统的动作相对输入信号的比例。

迟滞时间参数：伺服阀的响应速度、液压油回路长度等都会影响系统整体的滞后时间，可以抽象为迟滞时间参数，即伺服控制系统对于输入的变化而做出响应动作的滞后时间。

死区时间参数：伺服控制系统进行动作后无法再进行动作的那段时间，抽象为死区时间参数。

初始负载参数：用于模拟伺服控制系统的初始负载。

模型死区参数：伺服控制系统输入信号的变动小于死区时，模型不产生动作，用于模拟伺服控制系统的死区。

传感器噪声参数：在伺服控制系统输入信号中加入随机的噪声，用于模拟传感器噪声。

初始位置值：用于模拟伺服控制系统启动时的初始位置。

模型噪声参数：在输出信号中加入随机的噪声，用于模拟模型的输出噪声。

需要说明的是，本发明构建的电液伺服控制系统仿真模型，伺服阀的自身特征对于伺服控制系统的影响也包含在模型中。

优选地，分析模块20包括显示单元21；显示单元21，用于对被测伺服控制模块3的内部实时数据和/或仿真测试平台1的内部实时数据进行显示，以及对分析结果进行显示。

实施例2

基于实施例1提出的仿真测试平台1，本实施例提出一种伺服控制模块开发方法。该伺服控制模块开发方法，包括：

将被测伺服控制模块3的信号输出接口电路与仿真测试平台1的信号输入接口电路连接，将被测伺服控制模块3的信号输入接口电路与仿真测试平台1的信号输出接口电路连接，将通信接口电路与被测伺服控制模块3通讯连接(如图2所示)；启动仿真测试平台1，对被测伺服控制模块3进行仿真测试，以及对被测伺服控制模块3的性能，控制效果进行分析；根据仿真测试平台的分析结果指导伺服控制模块的开发。

如此，仿真测试平台1不仅能够对被测伺服控制模块3进行仿真测试，还能够对被测伺服控制模块3的性能，控制效果进行分析，能够用于辅助伺服控制模块3开发，促使伺服控制模块3的开发过程又快又好。

实施例3

本实施例在实施例2提出的伺服控制模块开发方法的基础上，还包括：将开发完成的伺服控制模块3的信号输出接口电路与真实伺服控制平台的信号输入接口电路连接，将真实伺服控制平台的信号输出接口电路与开发完成的伺服控制模块3的信号输入接口电路连接，将仿真测试平台1的通信接口电路与开发完成的伺服控制模块3通讯连接；启动真实伺服控制平台，以及启动仿真测试平台1的分析模块进行开发完成的伺服控制模块3内部实时数据的显示，调整开发完成的伺服控制模块3的PID参数，测试开发完成的伺服控制模块3能否正常控制真实伺服控制平台，并且满足超调和稳定时间的指标。

可见，通过仿真测试平台1和真实伺服控制平台的联合使用，能够实现开发完成的伺服控制模块与真实伺服控制平台的联调。进而本实施例提出，先在伺服控制模块的开发过程中使用仿真测试平台进行伺服控制模块的仿真测试，以指导伺服控制模块的开发，再通过仿真测试平台和真实伺服控制平台联合使用测试所开发的伺服控制模块的实际性能，能够提高伺服控制模块的开发速度，使开发功能快速验证，以开发出符合使用要求的伺服控制模块。

具体地，作为一个示例，如图3所示，采用的真实伺服控制平台为电液伺服控制平台4，电液伺服控制平台4包括液压站、液压执行元件(液压缸)、伺服阀、线性位移传感器和相关附件，则将被测伺服控制模块3的信号输出接口电路与电液伺服控制平台4的伺服阀连接，将电液伺服控制平台4的线性传感器输出与被测伺服控制模块3的信号输入接口电路连接。

实施例4

基于实施例1提出的仿真测试平台1，本实施例提出一种仿真测试平台1的使用方法。该仿真测试平台1的使用方法，包括：

将被测伺服控制模块3的信号输出接口电路与仿真测试平台1的信号输入接口电路连接，将被测伺服控制模块3的信号输入接口电路与仿真测试平台1的信号输出接口电路连接，将通信接口电路与被测伺服控制模块3通讯连接(如图2所示)；启动仿真测试平台1，对被测伺服控制模块3进行自动调零处理和调幅处理。

调零调幅功能是为了获取伺服控制系统反馈信号的上下限，传统的方法是通过人工测量伺服控制系统反馈信号的上下限，并将测量得到的参数输入伺服控制模块，该方法耗时耗力，并且人工测量存在误差和失误的可能。通过仿真测试平台1，能够自动对被测伺服控制模块3进行调零处理和调幅处理，在伺服控制模块的开发阶段，使用仿真测试平台1可以快速测试伺服控制模块的调零调幅功能是否符合预期。

需要说明的是，本实施例提出的仿真测试平台的使用方法可以用于实施例2提出的伺服控制模块开发方法中。

实施例5

基于实施例1提出的仿真测试平台1，本实施例提出一种仿真测试平台1的使用方法。该仿真测试平台1的使用方法，包括：

将被测伺服控制模块3的信号输出接口电路与真实伺服控制平台的信号输入接口电路连接，将真实伺服控制平台的信号输出接口电路与被测伺服控制模块3的信号输入接口电路连接，将仿真测试平台1的通信接口电路与被测伺服控制模块3通讯连接；启动真实伺服控制平台，以及启动仿真测试平台1的分析模块进行被测伺服控制模块3内部实时数据的显示，将被测伺服控制模块3的设定值设置为实时改变的值(如正弦波、方波、三角波等)，根据仿真测试平台1显示的被测伺服控制模块3内部实时数据(即设定值、反馈值、输出值)，监测被测伺服控制模块3的控制过程。

如此，实现被测伺服控制模块3的长期稳定性测试。长期稳定性能对于伺服控制模块来说非常重要，伺服控制模块的长期稳定性能在仿真模型上并不能很好的测试，是由于仿真模型程序往往是在一个非实时操作系统(如windows)上运行，长期的运行中很可能受到其他程序的影响，导致仿真模型动作延迟，从而引起异常波动，而这并不是伺服控制模块导致的，所以需要在真实伺服控制平台上测试伺服控制模块的长期稳定性。

需要说明的是，本实施例提出的仿真测试平台的使用方法可以用于实施例2提出的伺服控制模块开发方法中。

综上，本发明提出的仿真测试平台，不仅能够用于伺服控制模块的仿真测试，还能够用于伺服控制模块性能，控制效果的分析，而且能够用于伺服控制模块调零调幅功能的仿真测试，伺服控制模块与真实伺服控制平台的联调，以及伺服控制模块的长期稳定性能测试。

如图4所示，为本发明提供的仿真测试平台对伺服控制模块进行测试的实例。其中，伺服控制模块使用的是TCS-900安全控制系统的伺服控制模块SVO9010。仿真测试平台的信号输入接口电路和信号输出接口电路使用的是NI USB-6281多功能卡件，具备信号输入和信号输出功能。仿真计算模块是基于NI Labview编程软件开发的伺服控制仿真软件。

需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。