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ε_ss=，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r_max，给IVCS的输入信号从0.1r_max，以0.1r_max的量递增至r_max，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=0.1r_max，MFTS测试IVCS稳定后的值为c₁，此时的稳态误差ε_ss1=c₁-r₁；再改变输入信号为r₂=0.2r_max，稳定值为c₂，此时的稳态误差ε_ss2=c₂-r₂。依此类推直至测出10个点的稳态误差值ε_ss1、ε_ss2…ε_ss10。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，误差范围为Min(ε_ss)≤ε_ss≤Max(ε_ss)，并且测试结果可以以曲线图形的方式直观地表示出来。
1.2 快速性指标测试方法
    用IVCS输出第一次达到误差范围内的稳态值时所需要的时间t_s来表征IVCS的快速性，即，如图3所示。测试过程如下：同样以0.1rmax的量递增的信号作为IVCS的输入信号，即初始时刻给IVCS输入信号为r1=0.1r_max，MFTS测得IVCS的输出第一次达到误差范围内的稳态值时所需要的时间为t_s1，那么此时表征IVCS响应快速性的指标即用响应时间t_s1来表示。依此类推直至测出10个点的响应时间值t_s1、t_s2…t_s10。根据测出的10个点的响应时间值就可以分析判别IVCS响应的快速性，并且测试结果可以以曲线图形的方式直观地表示出来。
1.3 稳定性指标测试方法
    根据稳定性的定义：去掉作用于IVCS上的外界的扰动后，IVCS动态过程的振荡倾向和IVCS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。由此得出衡量IVCS稳定性的两个指标：其一是衡量IVCS动态过程的振荡倾向的指标，其二是输出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的指标。
1.3.1 衡量IVCS动态过程的振荡倾向的指标Δn
    工业上，不同工况对系统振荡倾向的要求也不同，如制药中对此要求非常严格。因为药成分的配比不同，产生的药效就不一样，甚至严重的还可能还会导致医疗事故，所以制药上所用的阀门对振荡倾向要求很严格，要求阀门就稳定在一个位置，基本上能克服任何干扰的影响。当然对于石油、冶金业来说，这方面的要求就不那么严格了。因为MFTS是通用的测试仪，当然也包含这一性能指标的测试。
    对于振荡倾向指标的测试，用IVCS输出达到误差范围内的稳态值时，输出c(t)随时间推移出现的抖动的次数率Δn来衡量，即Δn=∑n_i/t（次/小时），如图3所示。测试过程如下：某时给定IVCS输入信号r，MFTS判断系统稳定后，以一小时为单位测试系统输出抖动的次数，测试24小时，即24次，从Δn₁到Δn₂₄。根据测试结果可以判别IVCS一天平均每小时抖动次数、一天每小时抖动次数范围等，即一天平均每小时抖动次数，一天每小时抖动次数范围Min(Δn)≤Δn≤Max(Δn)，并且测试结果可以以曲线图形的方式直观地表示出来。
1.3.2 恢复到原来平衡状态位置的能力指标
    这个指标指的是去掉干扰后，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。
    恢复到原来平衡状态位置的能力指标有两个：一个是恢复的快速性Δt，一个是恢复的精确性Δe。取图3中某个抖动的波形来分析恢复到原来平衡状态位置的能力指标，放大后图形如图4所示。

    测量方法:假设某时刻系统的输入信号为r₁，输出稳定在c₁，此时给一个干扰信号，使输入信号瞬间由r₁变为r₂，又由r₂变为r₁，输出稳定后为c₂。那么恢复的精度Δe的测量方法是，恢复的快速性Δt的测量方法是。

2 MFTS的功能需求及实现
    结合MFTS的测试原理及IVCS的职能框图，得出MFTS职能方块图如图5所示，虚线框内为IVCS职能方块图。由图5可见，MFTS一方面需要测试IVCS的控制性能（稳、准、快），另一方面还需要测试控制模块的控制精度及阀门流量的实际精度。MFTS给定测试信号r(t)给IVCS，IVCS输出信号c(t)经位置传感器反馈回MFTS，MFTS根据反馈的信号实时地与给定信号r(t)比较，得出IVCS的控制性能。此外，控制模块的输出信号反馈给MFTS与给定信号r(t)比较，以测试控制模块的控制精度，阀门的输出信号q(t)经流量计反馈回MFTS与给定信号r(t)比较，以测试阀门流量的实际精度以及阀门开度和阀门实际流量的对应关系。

    因此根据IVCS测试系统的构架、MFTS的工作原理及其测试原理，MFTS应具备以下一些功能。
    (1)与上位机（PC机）的通信功能
    MFTS直接与上位机实现数据交换，应具有串行通信接口，能内嵌利用现场总线思想实现的自定义通信协议。上位机以自定义的通信协议，以主从通信的方式，可同时控制多个MFTS，同时自动完成多台IVCS的测试。
    (2)8路ADC和DAC功能
    MFTS通过输出4～20mA电流模拟信号作为测试信号给IVCS，需要DAC功能；同时，MFTS需要检测IVCS反馈的表示阀门开度的电流模拟信号，需要ADC功能；由于MFTS需要具备同时测试8组IVCS的能力，所以MFTS需要8通道的ADC功能和8通道的DAC功能。
    (3)8路脉冲检测功能
    如图5所示，MFTS需要附加检测每个IVCS中的阀门的开度和阀门的实际流量的对应关系及阀门流量精度，流量计检测的流量信号通常以脉冲信号的方式输出，所以MFTS应具有脉冲检测功能，为配合系统的测试功能，MFTS需要同时检测8路流量计的信号，需要8路脉冲检测功能。
    (4)人机交互及数据存储
    MFTS需要能在脱离上位机状态下独立工作，提高测试系统工作的灵活性，所以MFTS需要很强大的人机界面和数据存储功能，人机界面包括键盘、显示、打印功能。显示方式以点阵液晶显示为佳，能显示汉字、曲线。MFTS作为一个独立的测试仪，能同时测试8组IVCS，所以需要有很大数据存储容量来保存记录和测试结果，以便日后测试人员调用显示或打印分析检验测试结果。
    根据上述需求，得出MFTS的功能框图如图6所示。

    其中测试仪CPU选用高性能超低功耗16位MSP430149系列的单片机作为核心处理器。该单片机具有丰富的片内资源，具有8通道的12位A/D转换器ADC12，10路PWM功能实现10通道12位DAC功能，2个同步/异步串行通信接口实现与上位机的RS-485通信及打印机的接口，数十个可实现方向设置及中断功能的I/O口实现8路脉冲检测功能，60KB+256B FLASH ROM和2KB的RAM实现大容量的数据存储。选用该系列单片机能单片实现MFTS的功能，无须再扩展外部模块，可提高系统运行的可靠性，降低系统成本。

    本文根据工业阀门控制系统的测试的需求，提出了较为完善的工业阀门控制系统（IVCS）测试方案。所开发的多功能工业阀门控制系统测试仪（MFTS）已成功地应用于工业阀门控制系统的测试，给生产和维护IVCS带来了便利，提高了企业产品的竞争力和生产效率，为企业带来了巨大的效益。
参考文献
[1] 魏晓龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2002.
[2] 潘新民，王燕芳.微型计算机控制技术[M]. 北京：电子工业出版社，2003.
[3] 张尚才.控制工程基础[M]. 杭州：浙江大学出版社,1991.