摘 要：本文主要研究動(dòng)態(tài)智能算法在嵌入式計(jì)算機(jī)軟件測(cè)試中的應(yīng)用效果。本文采用DMC動(dòng)態(tài)智能算法進(jìn)行建模分析，判斷靜態(tài)性能與動(dòng)態(tài)性能之間的矛盾比，將其設(shè)計(jì)在DMC-PID系統(tǒng)之中，并依據(jù)驗(yàn)證軟件測(cè)試的理論結(jié)果，進(jìn)行嵌入式計(jì)算機(jī)軟件測(cè)試。結(jié)論表明應(yīng)用了動(dòng)態(tài)智能算法的嵌入式計(jì)算機(jī)軟件測(cè)試在串級(jí)DMC-PID工業(yè)蒸汽溫度控制系統(tǒng)中運(yùn)行穩(wěn)定，控制效果良好。

關(guān)鍵詞：嵌入式動(dòng)力學(xué)；動(dòng)態(tài)智能算法；計(jì)算機(jī)軟件；測(cè)試應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-260X（2024）06-0047-03

隨著微電子和信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)革新越來越具有吸引力。其特征體現(xiàn)在市場(chǎng)對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)新的需求保持持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)[1]。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，單一化的應(yīng)用軟件系統(tǒng)管理，已經(jīng)難以滿足業(yè)務(wù)流程的安全性和可靠性要求[2]?，F(xiàn)階段，基于ARM（Advanced RISC Machine）的嵌入式系統(tǒng)憑借著低功耗、CPU架構(gòu)簡(jiǎn)單、高性能、使用嵌入式網(wǎng)絡(luò)接口等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域[3]。

目前，越來越多的學(xué)者致力于研究動(dòng)態(tài)智能算法。例如蝙蝠振動(dòng)算法（DVBA）粒子群優(yōu)化算法（PSO）、蝙蝠算法（BA）、遺傳算法（GA）和禁忌搜索算法（TS）[4]。有學(xué)者提出了一種具有自動(dòng)權(quán)重修正功能的最優(yōu)粒子群優(yōu)化算法，解決了現(xiàn)有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)算法的過早集成和最小優(yōu)化問題，構(gòu)建了成本最低、出行延誤較短的赤字規(guī)劃模型[4]。研究嵌入式動(dòng)態(tài)智能算法在計(jì)算機(jī)軟件測(cè)試中的應(yīng)用，可以更好地實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)軟件中控制功能的優(yōu)化[5]。

本文將單級(jí)倒立擺控制的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)編程算法嵌入到工業(yè)蒸汽溫度控制系統(tǒng)之中，通過圖形用戶界面顯示控制結(jié)果，可以方便地查看到控制效果，并針對(duì)不理想的結(jié)果進(jìn)行修改，直到滿意為止。此外，在實(shí)現(xiàn)對(duì)單級(jí)倒立擺工藝系統(tǒng)控制的過程中，可以對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行修改，或者對(duì)智能動(dòng)態(tài)算法進(jìn)行一些局部修改，從而實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)中對(duì)其他問題的控制。

1 計(jì)算機(jī)軟件測(cè)試中的嵌入式動(dòng)態(tài)智能算法

1.1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由執(zhí)行器和嵌入式系統(tǒng)組成。嵌入式系統(tǒng)由硬件層、中心層、軟件層和功能層組成；執(zhí)行器可以看作是受控對(duì)象，接收嵌入式系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，完成特定的任務(wù)或工作[6]，具體內(nèi)容如圖1所示。

1.2 動(dòng)態(tài)智能算法

DMC（旋轉(zhuǎn)矩陣控制）算法是一種基于控制對(duì)象單步響應(yīng)的非參數(shù)模型的動(dòng)態(tài)智能預(yù)測(cè)算法。通過反饋修正和旋轉(zhuǎn)，對(duì)當(dāng)前和未來的控制變量進(jìn)行優(yōu)化，使輸出與預(yù)定軌跡一致。強(qiáng)矩陣控制是一種動(dòng)態(tài)智能預(yù)測(cè)控制算法，它利用被控對(duì)象的漸進(jìn)響應(yīng)特性來描述系統(tǒng)的功率模型。

1.3 PID控制系統(tǒng)

PID控制系統(tǒng)（Proportional Integral Derivative）主要是指對(duì)工業(yè)控制過程，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與誤差定制自動(dòng)分析與微分控制的系統(tǒng)。PID控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)十分明顯，其設(shè)置原理簡(jiǎn)單，主要依據(jù)數(shù)據(jù)誤差比例的積分和微分差值進(jìn)行控制計(jì)算；其實(shí)用性廣、魯棒性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)工藝控制之中。

2 嵌入式動(dòng)態(tài)智能算法在計(jì)算機(jī)軟件測(cè)試中的設(shè)計(jì)方法

2.1 設(shè)計(jì)原理

觀察PID和DMC過程，在一般預(yù)測(cè)函數(shù)指標(biāo)中輸入穩(wěn)態(tài)誤差密度，按照PID還原一般預(yù)測(cè)控制規(guī)則，即把算法分解成PID格式，檢查PID的預(yù)測(cè)特性。為了使用兩個(gè)PID控制系統(tǒng)和一個(gè)強(qiáng)矩陣控制，可以將PID控制和DMC控制結(jié)合起來，將相應(yīng)環(huán)節(jié)中用于約束的場(chǎng)函數(shù)改為PID格式，然后開發(fā)一個(gè)新的PID控制系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)建設(shè)

平臺(tái)硬件包括系統(tǒng)電源、主控單元、通信單元、空氣開關(guān)、終端等附件。

主控單元采用低功，計(jì)算性能高，集成以太網(wǎng)功能，不使用風(fēng)扇散熱的CPU控制器；具有較強(qiáng)的在線運(yùn)行能力，能滿足高精度、快速采樣和實(shí)時(shí)控制的要求；采用模塊化可擴(kuò)展模式，具有設(shè)備擴(kuò)展能力。

通信單元由通信模塊CP（Communication Processor）和通信模塊DCS（Distributed Control System）兩部分組成。首先通信模塊CP利用CPU以MODBUS通訊協(xié)議的形式與常規(guī)控制系統(tǒng)進(jìn)行安全數(shù)據(jù)交互。主控單元直接接收來自常規(guī)控制系統(tǒng)控制器的工藝參數(shù)，通過常規(guī)控制系統(tǒng)向現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出指令；其次通信模塊DCS采用EDPF-COMII模塊。該單元是一個(gè)智能通信單元，用于測(cè)量高速EDPF配電和控制網(wǎng)絡(luò)。有四個(gè)RS485端口，其中兩個(gè)使用HDLC協(xié)議與EDPF-NT DPU通信，另外兩個(gè)端口可以獨(dú)立配置103。這對(duì)系統(tǒng)與第三方MODBUS應(yīng)用進(jìn)行通信非常有用，可以確保電子安全。

2.3 參數(shù)選擇

動(dòng)態(tài)智能矩陣的高級(jí)旋轉(zhuǎn)是通過算法增加對(duì)P誤差的控制，并通過算法記錄控制P的進(jìn)展，決定強(qiáng)矩陣控制算法控制變量的數(shù)量。因此，控制時(shí)區(qū)的數(shù)量應(yīng)小于或等于M控制變量中預(yù)測(cè)時(shí)區(qū)P的值。

如果P值過高或過低，系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果會(huì)變差。在選擇P值時(shí)，應(yīng)考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和速度。控制系統(tǒng)的特性非常復(fù)雜，系統(tǒng)的響應(yīng)電壓并不取決于P預(yù)測(cè)的時(shí)間點(diǎn)和系統(tǒng)的功率。在這種情況下，必須根據(jù)系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性和速度的要求來調(diào)整P值。

2.4 DMC動(dòng)態(tài)智能算法模型

DMC動(dòng)態(tài)智能算法主要基于線路模擬特性的假設(shè)和捕捉演示的動(dòng)態(tài)智能預(yù)測(cè)模型。作為性能最好的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它獲得了滾動(dòng)優(yōu)化的彈性保持函數(shù)，能夠及時(shí)計(jì)算出搜索信息的分離度，并對(duì)分離信息進(jìn)行反饋和校正?；陔A梯響應(yīng)的預(yù)測(cè)模型如公式1所示。

其中N為建模時(shí)域，ai為單位階躍采樣值，u（k-i）-u（k-i-1）是在k=i時(shí)刻作用于系統(tǒng)的控制增量。實(shí)現(xiàn)反饋的目的是使算法的每一步都能根據(jù)被控對(duì)象的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。

測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)際結(jié)果、實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果為系統(tǒng)獲得最佳控制理念提供準(zhǔn)確可靠的信息基礎(chǔ)。獲得的信息不僅可以用于控制系統(tǒng)的預(yù)測(cè)行為，還包括實(shí)際系統(tǒng)中未知的不確定信息。反饋校正用實(shí)際誤差來校正，如公式2所示。

yc（k+j）=y（k+j）+he（k），j=1，2，…，P（2）

yc（k+j）是反饋修正后得到的新預(yù)測(cè)值，即初始預(yù)測(cè)值y（k+j）與經(jīng)過k時(shí)刻通過校正向量修正后輸出值的增量he（k）總和。

3 基于動(dòng)態(tài)智能算法的嵌入式計(jì)算機(jī)軟件測(cè)試研究

3.1 嵌入式系統(tǒng)的DMC控制器開發(fā)

本文利用智能算法測(cè)試一款工業(yè)蒸汽溫度控制器系統(tǒng)，整體測(cè)試設(shè)計(jì)流程如圖2所示。其大致可分為后端服務(wù)器部分、開發(fā)板部分和前端被控對(duì)象部分。而主開發(fā)板部分包括A/D轉(zhuǎn)換器、DMC動(dòng)態(tài)智能算法、D/A轉(zhuǎn)換器三個(gè)環(huán)節(jié)。

首先，用戶通過上位機(jī)的圖形界面設(shè)置開環(huán)增益K、時(shí)間常數(shù)T、延遲時(shí)間t等參數(shù)，并進(jìn)行數(shù)值設(shè)定。其次，設(shè)置參數(shù)完畢后開始運(yùn)行下位機(jī)程序，A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)采集被控對(duì)象的輸出，通過DMC算法計(jì)算出控制量u，并通過D/A轉(zhuǎn)換器將控制量轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，作用于被控對(duì)象，被控對(duì)象的輸出也被發(fā)送到上位機(jī)的圖形界面，并實(shí)時(shí)顯示輸出曲線。

最后，在程序運(yùn)行過程中，并行地啟動(dòng)一個(gè)線程，該線程專門負(fù)責(zé)與上位機(jī)服務(wù)器建立并保持通信。一旦與服務(wù)器成功建立連接，該線程便能接收來自上位機(jī)服務(wù)器的參數(shù)和設(shè)定值，并據(jù)此更新本地的相應(yīng)參數(shù)和設(shè)定。在此過程中，機(jī)器將不再接受其原有系統(tǒng)的控制指令。若與上位機(jī)服務(wù)器的連接發(fā)生中斷，系統(tǒng)將自動(dòng)恢復(fù)到接受本地機(jī)器系統(tǒng)的控制，從而確?？刂频倪B續(xù)性和穩(wěn)定性。

3.2 工業(yè)蒸汽溫度系統(tǒng)的實(shí)時(shí)曲線

在系統(tǒng)DCS側(cè)加載初始條件操作，同時(shí)將PLC切換到RUN狀態(tài)進(jìn)行操作。打開系統(tǒng)應(yīng)用欄上的實(shí)時(shí)趨勢(shì)圖標(biāo)，顯示溫度實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線。將觀察點(diǎn)拖到實(shí)時(shí)曲線窗口，觀察其實(shí)時(shí)數(shù)值變化。選擇工業(yè)蒸汽溫度控制系統(tǒng)中的被控對(duì)象，識(shí)別工業(yè)蒸汽溫度系統(tǒng)對(duì)象的傳遞函數(shù)，獲得其動(dòng)態(tài)特性，調(diào)整預(yù)測(cè)控制的參數(shù)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。

根據(jù)調(diào)整后的預(yù)測(cè)控制器，對(duì)工業(yè)蒸汽溫度被控對(duì)象進(jìn)行預(yù)測(cè)控制，并調(diào)整實(shí)時(shí)曲線界面的上下限和時(shí)間軸坐標(biāo)，得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如表1和圖3所示。

由此可以看出，項(xiàng)目中工業(yè)蒸汽溫度的實(shí)時(shí)曲線與矩陣計(jì)算模擬的曲線基本保持一致，控制效果較好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可以達(dá)到滿意的效果。

4 結(jié)論

動(dòng)態(tài)智能算法與嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，加速了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制技術(shù)的完善。在控制器中運(yùn)用集成控制技術(shù)和智能動(dòng)態(tài)算法已經(jīng)成為一種控制分析的習(xí)慣。

本文結(jié)合嵌入式軟件的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了嵌入式組件的軟件仿真測(cè)試過程與系統(tǒng)建設(shè)。通過對(duì)局部算法的修改可進(jìn)一步對(duì)工業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，DMC動(dòng)態(tài)智能算法可以較好地完成軟件系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，并利用滾動(dòng)優(yōu)化來進(jìn)一步保持測(cè)試函數(shù)的精確性，值得在工業(yè)控制系統(tǒng)中進(jìn)行推廣。

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