如何使用Arduino进行控制系统状态测试装置的设计

　　系统中的信号可以表示成不同频率的正弦信号的合成。控制系统的频率特性反应了正弦信号作用下系统的响应性能。使用频率特性来研究线性系统的经典方法称为频域分析法。系统的频率特性具有物理意义明确、控制系统的频域设计可以兼顾动态响应和噪声抑制两方面要求，以及使用频域分析法不仅适用于线性定常系统，还可推广应用与某些非线性系统等特点。要研究一个系统的性能，测量其频率特性是非常重要的。

　　本文主要以Arduino单片机为控制核心，设计了一个频率特性测试装置。文中主要阐述了该装置的结构、工作原理和性能特点。整个系统主要包括信号发生电路、信号源稳压电路、信号转换电路及待测电路。

　　该装置的硬件成本较低，结构也简单，同时，软件设计灵活，具有精度高、测量范围宽、使用方便等特点。测量系统频率特性的方法有很多，一般有系统传递函数法，单位脉冲信号测试法或寻找机械系统的谐振点等，我采用的是以扫频正弦波作为测试信号的频域测量方法，在没有频率特性测试仪的情况下，逐点改变信号源频率，测量系统再该频率下的响应的办法来研究系统的频率特性。频率特性测量仪使用方便，但价格昂贵。逐点测量法，有利于我们弄清系统频率特性的概念和物理意义。

　　随着电子工业的迅猛发展，各式各样的测量工具也不断涌现，而且比以往的更高级也更加先进，特别是在精度方面，更符合人们的要求，经过长时间的市场调查，发现通用的模拟式频率特性测试仪在使用中存在两个问题，一是不能直接得到相频特征，二是不能保存系统频率特征数值。这样就大大的增加了企业的生产成本（此处没有必要写），此外还会由于测量精度不够准确，造成一定量的测量误差，从而影响系统的测量质量，针对这一现象我决定开发设计一个基于单片机的频率特性测试仪，在微处理器控制下，Arduino单片机和DDS频率合成器构成的频率特性测试仪，它与PC机通过RS232C口连接，根据这一原理构成的数字式频率特性测试仪，实现了被测网络的频率特性的测试及数字的显示。实验证明，这种单片机控制的数字式系统频率特征测试仪体积小，系统稳定，使用简单。相比之下，基于单片机的频率特性测试仪体现出强大的优越性，现在所开发的这种基于单片机的频率特征测试仪，不但成本低廉，而且工作性能稳定，还能为人们提供感官上的人性化服务，测量仪器正朝着数字化，智能化，虚拟化方向发展。

　　随着数字测量技术和计算机技术的迅速发展，根据国内外研究的现状分析，设计和制作扫频仪的技术条件也越来越先进。目前，国外生产的频率特性测试仪大多是采用单片机和相应的外围电路构成，平且越来越精密，这种电路接受比较准确可靠，是未来发展研究的方向，该仪器硬件结构简单，软件设计灵活，具有测量范围广，精度高，使用方便等特点。

　　在控制系统的领域中，设计和控制一个系统我们首先要知道一个系统的数学模型，但是一些多输入多输出系统直接测量其数学模型又很麻烦。自控控制系统中我们知道，我们可以测量一个系统的频率特性，通过系统的固有的频率特性经过计算我们可以得到系统的数学模型，进而可以对系统设计和控制。本次毕业设计就是基于这种理念，设计制作一种可以方便测量各种系统的频率特性的装置，来满足广大科研人员的需要，达到更加简洁，更加方便，更加灵活的特点。

　　利用微分方程式求解系统动态过程，可以比较直观地看出输出量随时间变化。但是用微分方程式求解系统的动态过程比较麻烦，系统越复杂，微分方程的阶次越高，求解微分方程的计算工作量越大。

　　我们可以用时域方法导出二阶和三阶系统特征参数与动态过程的关系。但对于高阶系统，很难看出某个环节和参数对整个系统的动态过程有怎样的影响；当系统的动态特性不能满足生产工艺要求时，很难确定应采用什么样的措施才能改进系统的动态特性。如果要需要改变某些参数或加进某些环节来改变系统的动态特性时，就需要重新进行计算，很不方便。

　　在工程实践中，通常不希望进行大量繁复的计算，而要求能够比较简单地分析出系统各参数对动态特性的影响，以及加进某些环节以后对系统的动态特性又有怎样的改进，此外，在实际上往往并不需要把系统动态变化过程全部准确地计算出来，而希望有一种简便的判断动态过程的品质（如超调量、调节时间）和稳态误差的方法。

　　通常控制系统的时域响应性能可以通过控制系统的运态行为表示，对于二阶及以下的线性和非线性系统可以利用该系统在某输入作用下或在某初始条件下的相轨迹描述。本题目的主要内容是设计基于Arduino单片机的控制系统状态测试硬件装置及控制系统状态测试软件程序。

　　本毕业设计要求构造基于单片机的控制系统状态测试硬件、编写单片机程序，实现控制系统状态测试。该设计应包括：

　　设计基于Arduino单片机的控制系统状态测试硬件；

　　编制基于Arduino单片机的控制系统状态测试程序。

　　毕设方案：

　　学习单片机工作原理和编程方法。

　　编制控制系统状态测试程序。

　　编制上位计算机相平面图绘制程序。

　　编写串口通讯程序，实现系统状态测试装置与上位计算机通讯。

　　题目完成后应达到：实现系统状态的实时测量，上位机通讯。

　　题目完成后应达到：可模拟实现系统状态的实时测量。