计算机控制系统中的应用程序设计.ppt

第六章第六章 计算机控制系统中的应用程序设计计算机控制系统中的应用程序设计计算机控制系统的组成：硬件部分和软件部分。计算机控制系统的组成：硬件部分和软件部分。软件部分包括系统软件和应用软件。软件部分包括系统软件和应用软件。系统软件包括监控管理程序、实时操作系统、语言翻译程系统软件包括监控管理程序、实时操作系统、语言翻译程序（汇编程序、编译程序）。序（汇编程序、编译程序）。应应用用程程序序：过过程程监监视视程程序序、数数据据处处理理程程序序、控控制制程程序序、故故障诊断程序等。应用程序通用性差，需根据控制对象编写。障诊断程序等。应用程序通用性差，需根据控制对象编写。监控组态软件：结构化的应用程序，根据提示的菜单进行监控组态软件：结构化的应用程序，根据提示的菜单进行填写即可生成用户程序。填写即可生成用户程序。6.1 测量数据预处理测量数据预处理 被控量（非电量）被控量（非电量）传感器（电量、模拟量）传感器（电量、模拟量）ADCADC（数字量）数字量）对测量数据的预处理：误差校准、线性化、标度变换、越限报警等对测量数据的预处理：误差校准、线性化、标度变换、越限报警等 6.1.1 6.1.1 系统误差的自动校准系统误差的自动校准 什什么么是是系系统统误误差差？在在相相同同条条件件下下，经经过过多多次次测测量量，误误差差的的数数值值(包包括括大大小、符号小、符号)保持稳定，或按某种已知的规律变化的误差。保持稳定，或按某种已知的规律变化的误差。系统误差的特点：系统误差的特点：有规律，且变化规律可以掌握。有规律，且变化规律可以掌握。可以通过适当的技术途径校正。可以通过适当的技术途径校正。系统误差的类型：系统误差的类型：测量输入通道中的零点偏移和漂移。测量输入通道中的零点偏移和漂移。放大电路的增益误差。放大电路的增益误差。元器件参数的老化。元器件参数的老化。消除系统误差的方法：消除系统误差的方法：数字调零（软件实现）；数字调零（软件实现）；自动校准。自动校准。6.1.1.1 数字调零数字调零 数字调零电路结构图：数字调零电路结构图：6.1.1.2 自动校准自动校准 除了数字调零外，还可以采用偏移和增益误差的自动校准。除了数字调零外，还可以采用偏移和增益误差的自动校准。自动校准的基本思想：自动校准的基本思想：在在系系统统开开机机后后或或每每隔隔一一定定时时间间自自动动测测量量基基准准参参数数。如如：数字电压表中的基准参数为基准电压和零电压。数字电压表中的基准参数为基准电压和零电压。计算误差模型；计算误差模型；获得并存储误差补偿因子；获得并存储误差补偿因子；根据测量结果和误差补偿因子自动校准，消除误差。根据测量结果和误差补偿因子自动校准，消除误差。自动校准的方法：自动校准的方法：(1)(1)全自动校准；全自动校准；(2)(2)人工自动核准。人工自动核准。(1)全自动校准全自动校准 由由系系统统自自动动完完成成，不不需需人人的的介入。介入。电电路路结结构构见见右右图图：输输入入部部分分有有一一个个多多路路开开关关。系系统统刚刚上上电电或或每每隔隔一一定定时时间间自自动动进进行行一次校准。一次校准。全自动校准的步骤：全自动校准的步骤：把把多多路路开开关关接接地地，测测出出这这时时的的输输入入值值 ；把把多多路路开开关关接接 ，测测出出输输 入入 值值 ；按按 下下 式式 汁汁 算算 出出 测测 量量 值值：。全自动校准的效果：测量值全自动校准的效果：测量值V V与放大器的漂移和增益变化无与放大器的漂移和增益变化无关，与关，与V VR R的精度也无关。的精度也无关。降低降低了对元器件的要求。了对元器件的要求。(2)人工自动核准人工自动核准 全自动核准的不足：全自动核准的不足：只适于基准参数是电信号的场合；只适于基准参数是电信号的场合；不能校正由传感器引入的误差。不能校正由传感器引入的误差。人人工工自自动动校校准准：其其原原理理与与全全自自动动校校准准差差不不多多；不不是是自自动动定定时时进进行行校校准准；而是由人工在需要时接入标准的参数进行校准。而是由人工在需要时接入标准的参数进行校准。特点：一般只测一个标准输入信号特点：一般只测一个标准输入信号Y YR R，零信号的补偿由数字凋零来零信号的补偿由数字凋零来完成。完成。适用场合：传感器特性随时间会发生变化的场合，如湿敏电容等湿适用场合：传感器特性随时间会发生变化的场合，如湿敏电容等湿度传感器。度传感器。6.1.2 线性化处理程序设计线性化处理程序设计 计算法计算法查表法查表法折线法折线法 传感器特征传感器特征大多非线性，甚至无法用数学表达式表示大多非线性，甚至无法用数学表达式表示 线性化方法：线性化方法：6.1.2.1 计算法计算法6.1.2.2 查表法查表法 传传感感器器的的特特性性是是非非线线性性，且且测测量量数数据据和和转转换换的的电电信信号号之之间间无无明明确确、简简便便的的数数学学表表达达式式，如如指指数数、对对数数、三三角角函函数数、积分、微分等运算，可用查表法对其进行线性化处理。积分、微分等运算，可用查表法对其进行线性化处理。查查表表法法：预预制制一一张张表表格格，将将测测量量数数据据和和转转换换的的电电信信号号之之间间的的关关系系置置于于表表格格中中，通通过过查查表表程程序序根根据据测测量量数数据据查查出出所所需的结果。需的结果。表格分为无序表和有序表。表格分为无序表和有序表。查表方法有顺序查表法、计算查表法、对分查表法。查表方法有顺序查表法、计算查表法、对分查表法。顺序查表法：顺序查表法：用于无序表的查找。从表格的起始地址开始用于无序表的查找。从表格的起始地址开始寻找，逐次比较，直到找到要找的数据为止。寻找，逐次比较，直到找到要找的数据为止。计算查表法：计算查表法：要求表格有序且为线性，即要求各数据元素要求表格有序且为线性，即要求各数据元素在表格中的排列方法和占用的存贮单元数均为一样的。查在表格中的排列方法和占用的存贮单元数均为一样的。查表时通过一定的计算方法，求出该数据元素所对应的地址，表时通过一定的计算方法，求出该数据元素所对应的地址，从相应的存贮单元中取出所需要的数据。从相应的存贮单元中取出所需要的数据。对分查表法：对分查表法：用于有序表的查找。对一个字节长度为用于有序表的查找。对一个字节长度为N N的有的有序表（从小到大排列），先取序表（从小到大排列），先取N N/2/2处的值与待找的数据处的值与待找的数据X X比比较，若较，若X X大于大于N N/2/2处的值，下一次取处的值，下一次取N N/2/2至至N N的中间值即的中间值即3 3N N/4/4处的值进行比较；反之下一次取处的值进行比较；反之下一次取0 0至至N N/2/2的中间值即的中间值即N N/4/4处的处的值进行比较。如此不断对分查找，直到找到所需要的数据值进行比较。如此不断对分查找，直到找到所需要的数据X X。6.1.2.3 折线法折线法(局部线性化方法局部线性化方法)如右图，将曲线按一定要求如右图，将曲线按一定要求分成若干段，把相邻分段点用折分成若干段，把相邻分段点用折线连接起来，用此折线拟合该段线连接起来，用此折线拟合该段曲线。在此折线内的关系用直线曲线。在此折线内的关系用直线方程表示：方程表示：曲线分段的方法：等距分段法、不等距分段法。曲线分段的方法：等距分段法、不等距分段法。等距分段法：函数曲线的曲率和斜率变化不大时适用。等距分段法：函数曲线的曲率和斜率变化不大时适用。不等距分段法：函数曲线的曲率变化大时间距取小一点；反之取大不等距分段法：函数曲线的曲率变化大时间距取小一点；反之取大一点。这种方法精度较高，但编程较麻烦。一点。这种方法精度较高，但编程较麻烦。6.1.3 标度变换程序设计标度变换程序设计 被测参数的实际物理量被测参数的实际物理量工程量工程量(带量纲带量纲)ADCADC的结果的结果数字量数字量 6.1.3.1 线性参数的标度变换线性参数的标度变换 6.1.3.2 非线性参数的标度变换非线性参数的标度变换 6.1.4 越限报警程序设计越限报警程序设计转换以后的数字量是否在正常范围内？转换以后的数字量是否在正常范围内？上限报警上限报警下限报警下限报警上下限报警上下限报警6.2 数字滤波（软件滤波）数字滤波（软件滤波）滤波：抑制测量数据中的各种噪音和干扰。滤波：抑制测量数据中的各种噪音和干扰。硬件滤波：模拟滤波器（有源、无源）。硬件滤波：模拟滤波器（有源、无源）。软软件件滤滤波波，也也称称数数字字滤滤波波：用用软软件件通通过过计计算算或或判判断断减减少少干扰在信号中的比例，即用软件提高信噪比。干扰在信号中的比例，即用软件提高信噪比。软软件件滤滤波波的的特特点点：不不需需硬硬设设备备，可可靠靠性性高高，参参数数修修改改方方便，效果好（可对低频信号如便，效果好（可对低频信号如HzHz以下实现滤波）。以下实现滤波）。方法：平均值滤波、中值滤波、限幅滤波、惯性滤波等。方法：平均值滤波、中值滤波、限幅滤波、惯性滤波等。6.2.1 平均值滤波平均值滤波 算术平均值滤波算术平均值滤波:加权平均值滤波加权平均值滤波:6.2.2 中值滤波中值滤波6.2.3 限幅滤波限幅滤波6.2.4 惯性滤波惯性滤波6.2.5 复合滤波复合滤波开关量的软件抗干扰技术开关量的软件抗干扰技术 6.2.7 指令冗余技术指令冗余技术 6.2.8 软件陷阱技术软件陷阱技术 6.3 监控组态软件监控组态软件计计算算机机监监控控系系统统CSCS(Computer Supervisory Control System)是是生生产产过过程程和和管管理理自自动动化化最最为为有有效效的的讨讨算算机机软软硬硬件件系统之系统之。CSCS可可分分成成两两大大部部分分：一一是是现现场场分分布布式式的的数数据据I/O系系统统，即下位机；另一是数据处理及显示、管理系统，即上位机即下位机；另一是数据处理及显示、管理系统，即上位机 人机界面系统人机界面系统HMI(Human Machine Interface)。下下位位机机与与生生产产过过程程和和管管理理的的设设备备或或仪仪表表相相结结合合，感感知知设设备备各各种种状状态态参参数数，并并将将这这些些状状态态信信号号转转换换成成数数字字信信号号、通通过过特特定定数数字字通通信信网网络络传传递递到到上上位位机机HMIHMI系系统统中中。必必要要的的时时候候，下位机也可以向设备发送控制信号。下位机也可以向设备发送控制信号。6.3.1 概述概述 上上位位机机HMIHMI系系统统在在接接受受这这些些信信息息后后，以以适适当当的的形形式式如如文文字字、声声音音、图图形形、图图像像等等方方式式显显示示给给用用户户，以以达达到到监监视视监监测测的的目目的的，同同时时数数据据经经过过处处理理后后，告告知知用用户户设设备备各各种种状状态态参参数数(报警、正常或报警恢复等报警、正常或报警恢复等)。处处理理后后的的数数据据可可能能会会保保存存到到数数据据库库中中，也也可可能能通通过过网网络络系系统统传传输输到到不不同同的的监监控控平平台台上上，还还可可能能与与别别的的系系统统结结合合形形成成功功能能更更加加强强大大的的系系统统；HMI还还可可以以接接受受操操作作人人员员的的指指示示，将控制信号发送到下位机中，以达到控制的目的。将控制信号发送到下位机中，以达到控制的目的。上位机上位机HMI系统的功能主要靠上位机程序来完成。系统的功能主要靠上位机程序来完成。上上位位机机HMI系系统统的的功功能能主主要要靠靠上上位位机机程程序序来来完完成成。现现在在编编制制上上位位机机程程序序可可采采用用以以下下两两种种方方法法：一一是是采采用用Visual Basic、Visual C等等基基于于windows平平台台的的开开发发程程序序来来编编制制；二是采用监控组态软件来编制。二是采用监控组态软件来编制。基基于于VBVB、VCVC的的程程序序设设计计灵灵活活，可可以以设设计计出出风风格格各各异异的的HMI系系统统，但但设设计计工工作作量量大大，开开发发调调试试周周期期长长，软软件件通通用用性性较较差差，对对于于每每个个不不同同的的应应用用对对象象都都要要重重新新设设计计或或修修改改程程序序，软软件件功功能可靠性也较低，对程序设计员要求也高。能可靠性也较低，对程序设计员要求也高。监监控控组组态态软软件件是是标标准准化化、规规模模化化、商商品品化化的的通通用用开开发发软软件件，只只需需进进行行标标准准功功能能模模块块的的软软件件组组态态和和简简单单的的编编程程，就就可可设设计计出出标标准准化化、专专业业化化、通通用用性性强强、可可靠靠性性高高的的上上位位机机监监控控程程序序(HMIHMI系系统统)，且且工工作作量量较较小小，开开发发调调试试周周期期较较短短，对对程程序序设设计员要求也低一些。计员要求也低一些。近近几几年年来来，监监控控组组态态软软件件得得到到了了广广泛泛的的重重视视和和迅迅速速的的发发展展。目目前前，我我国国已已开开发发出出很很多多成成功功的的组组态态软软件件，而而且且技技术术发发展展很很快。快。6.3.2 组态软件的功能简介组态软件的功能简介控控制制系系统统的的软软件件组组态态是是生生成成整整个个系系统统的的重重要要技技术术，对对每每一一个控制回路分别依照其控制回路图进行。个控制回路分别依照其控制回路图进行。组组态态工工作作是是在在组组态态软软件件支支持持下下进进行行的的，组组态态软软件件主主要要包包括括：控控制制组组态态、图图形形生生成成系系统统、显显示示组组态态、硬硬件件配配置置组组态态（I/O通通道道登登记记）、数数据据库库组组态态、趋趋势势曲曲线线登登记记、报报警警系系统统登登记记、报表生成系统共报表生成系统共8个方面的内容。个方面的内容。程程序序员员在在组组态态软软件件提提供供的的开开发发环环境境下下，以以人人机机会会话话方方式式完完成成组组态态操操作作，系系统统组组态态结结果果存存人人磁磁盘盘存存储储器器中中，以以备备运运行行时使用。时使用。1 1 硬件配置组态（硬件配置组态（I IO O通道登记）通道登记）计计算算机机控控制制系系统统能能支支持持多多种种类类型型的的信信号号输输入入和和输输出出板板、卡卡。从从生生产产过过程程来来看看，每每一一输输入入输输出出都都有有不不同同的的名名称称和和意意义义，因因此此需需将将输输人人输输出出定定义义成成特特定定的的含含义义，这这就就是是I/OI/O通通道道登记。登记。I/OI/O通道主要是模拟量通道主要是模拟量I/OI/O和开关量和开关量I/OI/O等通道。等通道。2 2 数据库组态数据库组态 定定义义数数据据库库名名、字字段段名名等等。如如工工程程量量转转换换系系数数、上上下下限值、线性化处理、报警特性、报警条件等。限值、线性化处理、报警特性、报警条件等。3 3 控制组态控制组态 定义各控制回路的控制算法及控制参数。定义各控制回路的控制算法及控制参数。在工业控制组态软件中，一般有在工业控制组态软件中，一般有P1DP1D等多种基本算法。等多种基本算法。控制算法的组态生成在软件上可以分为两种实现方式：控制算法的组态生成在软件上可以分为两种实现方式：一种方式是采用模块宏的方式，即一个控制规律模块一种方式是采用模块宏的方式，即一个控制规律模块(如如PIDPID运算运算)对应一个宏命令对应一个宏命令(子程序子程序)，在组态生成时每用到一个，在组态生成时每用到一个控制模块，则组态生成控制算法，产生的执行文件中就将该控制模块，则组态生成控制算法，产生的执行文件中就将该宏所对应的算法换入执行文件。另一种常用的方式是将各控宏所对应的算法换入执行文件。另一种常用的方式是将各控制算法编成各个独立的可以反复调用的功能模块，对应每一制算法编成各个独立的可以反复调用的功能模块，对应每一模块有一个数据结构，该数据结构定义了该控制算法所需要模块有一个数据结构，该数据结构定义了该控制算法所需要的各个参数。因此，只要这些参数定义了，控制规律就定了。的各个参数。因此，只要这些参数定义了，控制规律就定了。有了这些算法模块，就可以生成绝大多数的控制功能。有了这些算法模块，就可以生成绝大多数的控制功能。4 4 图形生成系统图形生成系统 计计算算机机控控制制系系统统的的人人机机界界面面越越来来越越多多地地采采用用图图形形显显示示技技术术。图图形形画画面面主主要要是是用用来来监监视视生生产产过过程程的的状状况况，并并可可通通过过对对画画面面上上对对象象的的操操作作，实实现现对对生生产产过过程程的的控控制制。图图形形画画面面一一般般有有两两种种即即静静态态画画面面(或或背背景景画画面面)和和动动态态画画面面。静静态态画画面面一一般般用用来来反反映映监监视视对对象象的的环环境境和和相相互互关关系系，它它的的显显示示是是不不随随时时间间而而变变化化的的。动动态态画画面面一一般般用用以以反反映映被被监监视视对对象象和和被被控控对对象象的的状状态态和和数数值值等等，它它在在显显示示过过程程中中是是随随现现场场被被监监控控对对象象的的变变化化而而变变化化的的。在在生生成成图图形形画画面面时时，不不但但要要有有静静态态画画面面，而而且且还还要有要有“活活”的部分即动态画面。的部分即动态画面。5 5 报表生成系统报表生成系统 报报表表生生成成系系统统用用于于系系统统的的报报表表及及打打印印输输出出。因因而而报报表表系系统统主主要要功功能能是是定定义义各各种种报报表表的的数数据据来来源源、运运算算方方式式以以及及报报表表打印格式和时间特性。打印格式和时间特性。6 6 报警系统登记报警系统登记 报报警警显显示示画画面面分分成成三三级级，即即报报警警概概况况画画面面、报报警警信信息息画画面面、报报警警画画面面。报报警警概概况况画画面面是是第第一一级级，记记录录温温度度显显示示系系统统中中所所有有报报警警点点的的名名称称和和报报警警次次数数；报报警警信信息息画画面面是是第第二二级级，它它是是第第一一级级画画面面的的展展开开与与细细化化，可可调调出出相相应应报报警警信信息息画画面面，即即可可观观察察到到报报警警时时间间、消消警警时时间间、报报警警点点名名称称和和报报警警原原因因等等；报报警警画画面面是是第第三三级级可可调调出出与与报报警警点点相相应应的的各各显显示示画画面面，包包括括总总貌貌画画面面、组画面、回路画面、趋势曲线画面等。组画面、回路画面、趋势曲线画面等。为为了了完完成成报报警警登登记记，需需要要填填写写登登记记表表。内内容容包包括括编编号号、名名称、原因类型、原因参数、画面类型、画面参数。称、原因类型、原因参数、画面类型、画面参数。7 7 显示组态显示组态 计算机控制系统的画面显示一般分为三级，即总貌画面、计算机控制系统的画面显示一般分为三级，即总貌画面、组貌画面、回路画面。若想构成这些画面，就要进行显示组组貌画面、回路画面。若想构成这些画面，就要进行显示组态操作。显示组态操作包括选择模拟显示表、定义显示表及态操作。显示组态操作包括选择模拟显示表、定义显示表及显示登记方法等操作。显示登记方法等操作。8 8 起势曲线登记起势曲线登记 趋趋势势曲曲线线显显示示在在控控制制系系统统中中很很重重要要。为为了了完完成成这这种种功功能能，需需要要对对趋趋势势曲曲线线进进行行登登记记。系系统统的的硬硬盘盘中中保保存存有有三三种种趋趋势势曲曲线数据，即当天的、昨天的和历史的数据。线数据，即当天的、昨天的和历史的数据。趋趋势势曲曲线线的的规规格格主主要要有有：趋趋势势曲曲线线幅幅数数、趋趋势势曲曲线线每每幅幅条条数数、每每条条时时间间、显显示示精精度度。趋趋势势曲曲线线登登记记表表的的内内容容主主要要有有：幅幅号号、幅幅名名、编编号号、颜颜色色、曲曲线线名名称称、来来源源、工工程程量量上上限限和和下限。下限。6.4 数字控制器的工程实现数字控制器的工程实现 数字控制器的算法程序可被所有的控制回路共用，只是数字控制器的算法程序可被所有的控制回路共用，只是各控制回路提供的原始数据不同。各控制回路提供的原始数据不同。必必须为须为每个回路提供一段内存数据区每个回路提供一段内存数据区(即即线线性表性表)，以便，以便存放参数。存放参数。既然数字控制器是公共子程序，那就既然数字控制器是公共子程序，那就应该应该在在设计时设计时考考虑虑各种工程各种工程实际问题实际问题，并含有多种功能，以便用，并含有多种功能，以便用户选择户选择。数字控制算法的工程数字控制算法的工程实现实现可分可分为为6 6部分，如下部分，如下图图所示。所示。下面以下面以数字数字PIDPID控制器控制器为例讨论数字控制器为例讨论数字控制器的工程的工程实现实现问题问题 分分为为六个六个部分：部分：给定值处理、被控量处理、偏差处理、给定值处理、被控量处理、偏差处理、控制算法、控制量处理、自动手动处理。控制算法、控制量处理、自动手动处理。1 1 给定值和被控量处理给定值和被控量处理 给给定定值值处处理理包包括括选选择择给给定定值值和和给给定定值值变变化化率率限限制制两两部部分分。可可通通过过选选择择构构成成内内给给定定状状态态或或外外给给定定状状态态。为为了了减减少少给给定定值值突突变变对对控控制制系系统统的的扰扰动动，防防止止微微分分饱饱和和，以以实实现现平平稳稳控控制制，需需要要对对给给定定值值的的变变化化率率加加以以限限制制。变变化化率率的的选选取取要适中，过小会使响应变慢，过大则达不到限制的目的。要适中，过小会使响应变慢，过大则达不到限制的目的。为为了了便便于于PIDPID控控制制程程序序调调用用这这些些变变量量，需需要要给给每每个个P1DP1D控制模块提供一段内存数据区，来存储所需变量。控制模块提供一段内存数据区，来存储所需变量。为为了了安安全全运运行行，需需要要对对被被控控量量进进行行上上下下限限报报警警处处理理。当当出出现现上上、下下限限报报警警状状态态时时，它它们们通通过过驱驱动动电电路路发发出出声声或或光报警以便提醒操作员注意。光报警以便提醒操作员注意。2 2 偏差处理偏差处理 偏偏差差处处理理分分为为偏偏差差计计算算、偏偏差差报报警警、非非线线性性持持性性和和输输入补偿等部分。入补偿等部分。计算偏差的大小和方向以便算法实现时使用。计算偏差的大小和方向以便算法实现时使用。对对于于控控制制要要求求较较高高的的对对象象，不不仅仅要要设设置置被被控控制制量量的的上上、下下限限报报警警，而而且且要要设设置置偏偏差差报报警警。当当偏偏差差绝绝对对值值超超限限时时报报警。警。利利用用加加、减减输输入入补补偿偿，可可以以分分别别实实现现前前馈馈控控制制和和纯纯滞滞后补偿后补偿(SmithSmith)控制。控制。可可设设置置非非线线性性特特性性以以实实现现带带死死区区的的PIDPID控控制制、非非线线性性PIDPID控制。控制。3 3 控制算法的实现控制算法的实现 在在自自动动状状态态下下，需需要要进进行行控控制制计计算算即即按按照照各各种种控控制制算算法的差分方程，计算控制量，并法的差分方程，计算控制量，并进进行上、下限限幅行上、下限限幅处处理。理。根据不同的根据不同的对象对象选样选样合适的控制算法。合适的控制算法。常常用用的的控控制制算算法法有有数数字字PIDPID控控制制算算法法、最最少少拍拍控控制制算算法法、SmithSmith预估控制算法、大林算法等等。预估控制算法、大林算法等等。4 4 控制量处理控制量处理 一一般般情情况况下下，在在输输出出控控制制量量以以前前，还还应应经经过过各各项项处处理理和和判断，以便扩展控制功能，实现安全平稳操作。判断，以便扩展控制功能，实现安全平稳操作。利用利用输输出和出和输输入入补偿补偿，可以，可以扩扩大大实际应实际应用范用范围围，灵活，灵活组组成复成复杂杂的数字控制器，以便的数字控制器，以便组组成复成复杂杂的自的自动动控制系控制系统统。为为了了实现实现平平稳稳操作，需要操作，需要对对控制量的控制量的变变化率加以限制。化率加以限制。变变化率的化率的选选取要适中，取要适中，过过小会使操作小会使操作缓缓慢，慢，过过大大则则达不到达不到限制的目的。限制的目的。5 5 自动手动切换自动手动切换 在在正正常常运运行行时时，系系统统处处于于自自动动状状态态；而而在在调调试试阶阶段段或或出现故障时，系统处于手动状态。出现故障时，系统处于手动状态。对对于于一一般般的的计计算算机机控控制制系系统统，可可采采用用手手动动操操作作器器作作为为计算机的后备操作。计算机的后备操作。采用上述数字控制器不采用上述数字控制器不仅仅可以可以组组成成单单回路控制系回路控制系统统，而且可以而且可以组组成串成串级级、前、前馈馈、纯纯滞后滞后补偿补偿(SmithSmith)控制等复控制等复杂杂控制系控制系统统。对对于后面两种系于后面两种系统还应统还应增加增加补偿补偿器运算模器运算模块块。利用利用该该控制模控制模块块和各种功能运算模和各种功能运算模块块的的组组合，可以合，可以组组成各成各种控制系种控制系统统来来满满足生足生产过产过程控制的要求。程控制的要求。6.5 系系统统的有限字的有限字长长数数值问题值问题 在在实实现现一一个个计计算算机机控控制制系系统统时时必必须须回回答答这这样样一一些些问问题：题：转换器应有多精确？转换器应有多精确？在计算中要在计算中要求什么求什么样样的精度？的精度？计计算算应应当用定点运算当用定点运算还还是用浮点运算？是用浮点运算？这些问题都与系统的有限字长有关。这些问题都与系统的有限字长有关。什么是有限字长？什么是有限字长？6.5.1 量化量化误误差来源差来源 计计算机控制系算机控制系统统一方面应一方面应考考虑虑信号在信号在时间时间上的离散化上的离散化问问题题，另一方面应另一方面应考考虑虑幅幅值值上的量化效上的量化效应应。下下图给图给出了出了计计算机控制系算机控制系统统的典型的典型结结构：构：6.5.2 A/DA/D、D/AD/A及运算字及运算字长长的的选择选择 为为减少量化减少量化误误差，在条件允差，在条件允许许的情况下，可尽量加大字的情况下，可尽量加大字长长。下面分。下面分别讨论别讨论A/DA/D转换转换器、器、D/AD/A转换转换器和运算的字器和运算的字长选长选取。取。运算的字长选择运算的字长选择 由由8 8位位或或1212位位A/DA/D变变换换器器采采集集数数据据之之后后，为为了了保保证证运运算算精精度度，在在CPUCPU内内几几乎乎毫毫无无例例外外地地至至少少采采用用1616位位字字长长运运算算。运运算算精精度度不不仅仅取取决决于于字字长长，而而且且还还取取决决于于采采用用定定点点数数或或浮浮点点数数。如果采用浮点数，运算精度可以大大提高。如果采用浮点数，运算精度可以大大提高。运算字运算字长长的的选选取，用到取，用到标标准数准数0 0至至1 1的概念。众所周知，的概念。众所周知，计计算机控制系算机控制系统统的的输输入、运算和入、运算和输输出信号也出信号也应应遵循某一遵循某一标标准，准，一船采用一船采用标标准数准数0 0至至1 1。通通常常把把被被测测参参数数的的量量程程范范围围定定义义为为输输入入标标准准数数0 0至至1 1。例例如如某某温温度度信信号号为为0 0一一16001600，温温度度变变送送器器输输出出为为0 0一一1010mA(DC)mA(DC)，再再由由1212位位A/DA/D转转换换器器变变为为000000HFFFHHFFFH。如如果果采采用用双双字字节节定定点点数数存存放放输输入入参参数数，最最高高位位为为符符号号值值(0(0为为正正，1 1为为负负)，次次高高位位为为整整数数位位0 0或或1 1，其其余余1414位位为为小小数数位位，那那么么0 0一一16001600存存 放放 结结 果果 如如 下下 表表 所所 示示，对对 应应 输输 入入 标标 准准 数数 0 0至至0.999755860.99975586，近似，近似为为0 0至至1 1，量化，量化误误差差为为0.000214140.00021414。通通过过人人机机接接口口输输入入的的与与被被控控参参数数有有关关的的原原始始参参数数也也用用输输入入标标堆堆数数存存放放，例例如如给给定定值值、积积分分分分离离值值、上上限限报报警警值值、下下限限报报警警值值等等。这这些些参参数数必必须须折折算算成成量量程程的的百百分分数数存存放放。仍仍以以上上述述温温度度参参数数为为例例，若若给给定定值值为为12001200，折算成输入标准数为，折算成输入标准数为0.750.75，仍然采用下表所示的双字节定点数的形式。，仍然采用下表所示的双字节定点数的形式。由于由于计计算机控制系算机控制系统统的的输输入入变变送器和送器和输输出出执执行机构的信号行机构的信号统统一一为为0 0一一1010mA(Dc)mA(Dc)或或420420mA(DC)mA(DC)，所以所以计计算机内部算机内部调节调节模模块块和运算模和运算模块块的的输输入、入、输输出信号也出信号也应统应统一一为标为标准数准数0 0一一1 1。如果采用双字。如果采用双字节节定点数来表示定点数来表示这这些参数，些参数，各数的小数点位置可能不同。那么运算各数的小数点位置可能不同。那么运算过过程中就要程中就要对对小数点的位置小数点的位置进进行行处处理。但是模理。但是模块输块输出仍出仍应应限制在限制在标标准数准数0 0一一1 1之之间间。调调节节模模块块和和运运算算模模块块的的输输出出标标准准数数0 0一一1 1通通过过D/AD/A转转换换器器变变换换成成0 0一一1010mA(Dc)mA(Dc)或或420420mA(DC)mA(DC)后后，才才能能作作用用于于执执行行机机构构。为此，应将输出标准数为此，应将输出标准数0 0一一1 1变换成变换成D DA A转换器数字位状态。转换器数字位状态。为为了了进进一一步步提提高高运运算算精精度度，可可采采用用浮浮点点数数。如如果果采采用用三三字字节节浮浮点点数数，可可以以表表示示成成位位2323为为阶阶符符(0(0为为正正，1 1为为负负)，位位2222至至位位1616为为阶阶码码，位位1515为为数数符符(0(0为为正正，1 1为为负负)，位位1414至至位位0 0为为尾尾数数。这这样样的的数数值值范范围围，足足以以满满足足各各种种计计算算机机控控制制系系统统的的运运算算需要。需要。浮点数的不足之浮点数的不足之处处是运算复是运算复杂杂，既要作，既要作阶码阶码运算，又要运算，又要作尾数运算，而且必作尾数运算，而且必须阶码对齐须阶码对齐才能作加、减运算。才能作加、减运算。综综上所述，不管采用定点上所述，不管采用定点还还是浮点数，是浮点数，输输入入标标准数准数0 0一一1 1对应对应A/DA/D转换结转换结果的全果的全0 0至全至全l l，输输出出标标准数准数00l l对应对应D/AD/A转换转换器数字位状器数字位状态态的全的全0 0至全至全1 1。