摘要：为了适应快速闭环控制的需求，提出了基于VXI总线的快速闭环控制系统的设计和应用方法，对VXI系统组成、算法控制器模块、信号调理和软件组态等部分进行了具体分析。经过工业现场的应用，控制系统的控制周期达到10ms以内，从而可满足快速调节的应用领域的需求。
关键词：VXI总线，快速闭环控制，组态，算法控制器
1 引言
目前，在国内，在需要快速调节或精确控制的应用场合（如某些发电、动力装置的实时控制、快速加力加压装置的实时控制、大型机床控制等等），由于一般的通用控制系统不容易达到它的控制要求，而往往是通过引进或设计专用的基于硬件（或称之为模拟）的控制系统，这样的控制系统是根据对象的特性来专门设计的，不具备通用性（每个对象就需要一套特定的控制系统），尤其是当控制对象的特性发生变化时，可能现有的控制功能就适应不了新的控制要求，要改造这样的专用控制系统又非常困难，一般都需要厂家的重新设计工作，从而给使用和维护带来不便。要是在一个高性能的通用的系统平台上通过模块化的搭接来形成控制系统硬件，再通过软件的算法实现数字控制，进而实现这样严格的控制要求，那么上面的问题就不成为问题了。这种控制系统通过下装某个特定的控制算法来实现其特定的控制功能，因而通过不同的软件下装就能实现不同的控制功能，使系统的使用和维护变得非常灵活和方便。另一方面，由于平台的开放性，它可以融于整个大系统之中，从而不会出现人们经常所提到的自动化孤岛的现象。
由于快速调节或精确控制对控制系统的性能要求非常之高，常规意义上的DCS系统往往都达不到要求。基于VXI仪器仪表总线的开放式平台，其高速的32-64位数据总线和多条硬件触发同步和时钟信号总线，使系统中的模块可以完成非常精确和复杂的任务，在高端的测控仪器系统中应用非常广泛。通过在不同的快速调节或精确控制应用领域中使用VXI系统组成通用的控制系统，并结合DCS系统的经验和方法，形成了一款实用化的VXI快速闭环控制系统产品：ViCS（VXI High-speed Control System）系统。
2 ViCS系统的软硬件实现
ViCS系统是通过在开放式的VXI系统平台（嵌入式控制器或IEEE1394接口的零槽控制器）上集成闭环算法控制器模块和其它相关的系统模块，形成系统的I/O和系统调节处理系统，其外围与信号调理系统相连；闭环算法控制器模块和其它相关的系统模块可以根据系统的需要来配置；闭环算法控制器模块内嵌高速DSP、内部总线和大容量内存，是一种具有I/O和独立运行控制策略的模块，它通过模块内部的总线实现快速的I/O，并进行快速的过程控制；信号调理系统的组成也是在通用的调理系统平台上通过选择与测控对象相适应的调理模块；系统的组态软件则根据硬件的组成情况和控制的策略进行相应的配置和组态，从而组成一套实际的控制系统。这样的系统，软硬件均是模块化的，系统改造、维护、升级等等均非常灵活、非常方便。
ViCS系统的测控处理部分是在开放式的VXI系统平台上集成闭环算法控制器模块和其它相关的系统模块而成；通过定义输入通道、输出通道、算法模块软件和其它相关参数来确定特定的调节器功能。闭环算法控制器模块内自成闭环控制回路，每一块闭环算法控制器模块的功能相当于一套32个控制回路的DCS控制站，多块闭环算法控制器模块集成在VXI系统平台上，通过VXI总线实现相互间的同步和通信。此外，根据系统的需要，VXI总线系统上还可以集成其它相关的模块，从而组成具有快速调节或精确控制性能，同时又兼顾通用测控性能的综合控制系统。VXI总线系统通过具有Ethernet或IEEE1394接口的模件与操作监视计算机系统连接起来，组成集散控制系统。其体系结构如图1所示。
2.1 VXI系统平台组成
机箱选择C尺寸VXI机箱，在VXI系统中，在其机箱和总线背板的设计和标准的制定中，已充分地考虑了供电、冷却、屏蔽和系统的电磁兼容性能，对每项指标都有严格的标准，使得系统具有很高的抗干扰能力和可靠性，完全满足工业控制的需要。VXI控制器有两种方式可供选择：一是选择零槽控制器，通过IEEE1394通信或其它方式与外控计算机连接，外控计算机通过零槽控制器透明地存取VXI模块的资源，进行数据采集和参数调节；二是选择嵌入式控制器，它的功能=嵌入式PC+零槽服务，嵌入式PC中可安装WIN2000、RTOS等操作系统，可完成外控计算机的所有功能，同时由于内嵌零槽服务，因此访问VXI模块的数据更加快捷，但造价较高。由于外控计算机和嵌入式控制器并不参与实时的快速过程调节，因此，在ViCS系统中根据不同的系统要求，在这两种方法中选择其一即可。
VXI模块主要由回路算法控制器模块和其它功能模块组成，根据系统的需要进行组合配置。图2所示的配置为一个典型的应用事例。
2.2 闭环算法模块
在ViCS系统中，闭环算法模块目前选择Agilent公司生产的E1415模块或航天测控生产的AMC1415，它是一种具有算法模块的过程回路控制器。在每一个闭环算法模块中，它可以通过信号调理器模块提供64通道的I/O，根据调理器模块的配置，这些I/O可以被定义成模拟量或数字量、同时可以被定义成输入或输出[1]。可以通过下装最多32个算法来实现最多32个数字控制回路，它通过板上可拔插的信号调理模块实现32通道不同类型的信号输入和32通道不同类型的信号输出；它有一个内部的DSP（Digital Signal Processor）处理器来运行控制算法。对于控制回路，可以通过两种方法来定义所需的算法：一是选择标准的PID模块；另外的方法就是下装使用算法编程语言编写的自己的算法。一旦定义了回路控制算法，该算法就成为一个子程序功能函数，当接收到触发信号并且在所有的输入通道都被扫描后该功能函数就被调用。每一个闭环算法模块独立实施自己的功能，当应用的I/O通道数量较大时可以使用多块闭环算法模块，多块闭环算法模块之间的同步可通过VXI总线母板的同步触发信号来实现。下图3为控制器模块的工作流程图[1]。
2.3 信号调理系统
在ViCS系统中，要采集过程变量的数据，同时又要实时地输出信号来控制过程装置，现场的过程变量信号和调节装置能接收的信号可能与VXI模块I/O信号不一定完全匹配，另外，在这种精确的控制系统中为了提高系统的抗干扰能力，往往需要将VXI系统与现场设备隔离起来并对信号进行滤波处理，由此，ViCS系统外围需要信号调理。航天测控根据在DCS系统开发中的成功经验，结合VXI应用的特点，设计出一套标准结构尺寸，统一接口的信号调理平台（参见图1所示）。其特点如下：
(A)、3U 19”标准机箱，模块尺寸同PXI模块尺寸；
(B)、调理模块面板宽度可选4HP 、5HP、7HP 、9HP 、13HP；
(C)、调理机箱母板后出线方式，调理模块可方便拔插更换。
2.4 可组态的回路
在ViCS系统中，最基本的单元表现为控制回路。控制回路由输入通道、输出通道、关联通道、控制算法、控制参数等等组成，通过单元组态以确定这些项目的定义和初始值，图4为回路组态的示例。
3 关键技术
快速调节或精确控制强调的是“快速”和“准确”，因而确保控制系统满足这些条件和指标，是设计控制系统的关键之一。基于VXI仪器仪表总线的开放式平台，在国内外军用和民用的高端测控领域中的应用实践证明其性能完全满足快速闭环控制系统的需要，同时选择具有内嵌高速DSP、高速内部总线、大容量内存、大容量FIFO和快速I/O的算法控制器模块，可以达到每个回路的控制周期为10ms以内，从而确保回路控制的快速性的要求。在系统联锁和其它相关联的应用需求的情况下可以选择丰富的VXI功能模块以完成其功能。系统兼顾了开放性和特殊功能的需求。
系统的维护方便性和可靠性是控制系统的又一关键之处，ViCS系统充分利用了DCS组态的概念和思想，在系统组成、控制回路设置、画面显示和操作、控制算法的修改等等特殊的应用工作均建立在组态系统平台之上，而组态系统平台是经过充分测试和验证过的，因而在具体的应用中，通过组态而建立起来的系统就具备了一致的可靠性和可维护性[2]。
4 结论
利用开放的VXI总线系统平台来搭接闭环控制系统的核心部分，借鉴DCS系统的软硬件思想，以开发快速的闭环控制系统。这在工业自动化应用领域中要求快速响应或精确调节的场合下，无疑是一种很好的选择。经过工业现场的实际应用表明，这样的系统应用到快速响应或精确控制的场合下，是完全满足需求的，并在经济性、可维护性和操作方便性上具有独到之处。例如，在某杆塔的实验站的测控系统和某导弹飞行实验模拟测控系统中应用ViCS系统，其闭环控制响应可以达到10ms，经过多个实际的系统应用事例证明：利用VXI总线系统来组成开放式的快速调节或精确控制系统是可行的。
参考文献
[1] Agilent E1415A User’s Manual，2000.
[2] 廖道文等，集散型控制系统的设计与应用[M].北京：清华大学出版社，1993.
