第8章 计算机控制系统程序设计课件.ppt

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1、第第8章章 计算机控制系统程序设计计算机控制系统程序设计v第一节第一节 应用软件设计应用软件设计v第二节第二节 计算机控制系统的数据处计算机控制系统的数据处理方法理方法v第三节第三节 数字滤波数字滤波第一节第一节 应用软件设计应用软件设计一、计算机控制系统的应用软件一、计算机控制系统的应用软件 软件一般包括系统软件和应用软件两大部分。 系统软件由开发商提供，它包括监控管理程序，实时操作系统和各种语言的翻译程序，即汇编和编译程序系统软件。不需用户自行设计，用户只需了解它的应用，将其作为一种工具进行编程及开发。 应用软件则是面向生产过程控制，根据不同的应用场合由用户自行编制。这类程序面向不同的生产

2、对象和控制要求，因此通用性差，必须由用户自行开发及编写。v应用程序的分类 1控制算法程序 控制算法程序主要实现控制规律的计算，产生控制量。常用的控制算法有：数字PID控制算法、大林算法、Smith补偿控制算法、最少拍控制算法、串级控制算法、前馈控制算法、解耦控制算法、模糊控制算法、最优控制算法等2数据采集及处理程序 数据采集程序包括：用于检查是可靠输入数据还是故障数据的数据可靠性检查程序、A/D转换及采样程序、用于滤除干扰造成的错误数据或不宜使用的数据的数字滤波程序、用于对检测元件或变送器的非线性特性进行补偿的线性化处理程序等。3实时时钟和中断处理程序 实时时钟是计算机控制系统一切与时间有关的

3、控制过程运行的基础。 计算机控制系统中有很多任务是按时间顺序安排的，这些任务的触发和撤消由系统时钟来控制，不用操作者直接干预。 4过程管理程序 这部分程序用于生产管理，主要包括：画面显示、变化趋势分析、报警记录、统计报表打印输出等。1应用程序设计的几个特点应用程序设计的几个特点(1) 应用程序与硬件系统的密切性。程序设计者必须熟悉整个系统才能编写出高质量的应用程序。若系统硬件要作某些变动，则相应程序进行修改，否则将不能满足预定的要求。(2) 应用程序具有较强的实时性。即要求在对象允许的时间间隔内对系统进行控制、计算和处理。二、应用软件设计方法二、应用软件设计方法(3) 应用程序具有较强的针对性

4、。即每个应用程序都是根据一个具体系统的要求来设计的。(4) 应用程序要有一定的灵活性和通用性。即应用程序能适应不同系统要求。为此，可以采用模块式结构，尽量把公用的程序编写成具有不同功能的子程序。设计者的任务就是把这些具有一定功能的子程序(或中断服务程序)进行排列组合，使其成为一个能够完成特定功能的应用程序。(5) 应用程序要有较高的可靠性。在工业现场环境比较复杂，干扰源比较多，在计算机控制系统设计过程中，不仅要考虑硬件抗干扰，还要充分考虑软件抗干扰。为此，可设计一个诊断程序，使其对系统的硬件及软件不断进行检查，一旦发现错误就及时处理。此外，为了提高系统软件的可靠性，常常把调好的应用程序固化在E

5、PROM中。2应用软件设计的基本步骤 (1)问题定义； (2)程序设计； (3)汇编（或编译）； (4)调试； (5)文件编制； (6)维护和再设计 3应用程序设计方法（1）模块化程序设计 模块化程序设计的出发点是把一个复杂的程序，分解为若干个功能模块，每个模块执行单一的功能，并且具有单入口单出口结构，在分别进行独立设计、编程、查错和调试之后，最终装配在一起，连接成完整的大程序。（2）结构化程序设计 结构化程序设计采用自顶向下逐步求精的设计方法和单入口单出口的控制结构。在总体设计阶段，采用自顶向下逐步求精的方法，可以把一个复杂问题的解法分解和细化成一个由许多模块组成的软件系统。在详细设计或编程

6、阶段，采用自顶向下逐步求细的方法，可以把一个模块的功能逐步分解细化为一系列具体的处理步骤或某种高级语言的语句。1控制系统软件设计的目的与原则 计算机控制系统的软件设计必须遵循如下原则：抽象、细化、模块化和信息隐藏。v抽象。抽象对系统的简化描述或规范说明。v细化。细化是软件设计中一条重要的原则。当对系统由顶向下进行设计时，第一次可能将它根据功能细化为若干子系统。再次细化时，将每个子系统又可划分为若干模块，每一个模块完成一个或一组确定的任务。v模块化。其中心思想是对较大的程序分而治之，使其每一部分都变得容易管理。 三、控制软件的设计三、控制软件的设计(4) 信息隐藏。其思路是：在相互独立的模块之间

7、，只允许传递为了完成软件功能所必需的信息，限制别的模块范围模块内部的其他细节和局部数据。信息隐藏的优点是可以简化模块接口，使软件易于设计；尤为重要的是能够在修改软件过程中减少错误在模块间的传播机会，使软件易于维护。 除了上面四个重要原则外，还有一致性、完整性和可验证性等。2. 控制系统软件设计内容控制系统软件设计内容v对控制系统来说。控制软件包括实时管理软件、过程检测及控制算法软件两大部分。v实时管理软件是对整个控制系统进行管理用的程序，相当于整个计算机控制系统的主程序。v过程监测及控制算法计算软件主要包括：数据获取与变换处理程序，如数据采样、数字滤波、单位换算、数据合理性检查、数据补偿校正等

8、；控制指令生成程序，如控制算法计算、系统状态控制、控制指令输出等；事故处理程序，如超限报警、故障处理等；信息管理程序，如数据存储、输出、打印、显示以及文件管理等。实时管理软件主要有以下功能：v(1) 完成实时时钟管理，并向各分系统提供真实时间依据，如使计算机系统以确定的时间周期重复进行采样、计算、输出等。v(2) 输入/输出信息管理，以完成数据的采集与输出。v(3) 中断管理功能，实时程序必须有一个比较完善的中断管理能力，以便分别处理不同的中断请求。v(4) 完成对各分系统程序（包括控制算法程序）运行顺序的管理，即进行任务调度。v(5) 完成人-机联系。v(6) 设置系统的初始状态。第二节第二

9、节 计算机控制系统的数据处理计算机控制系统的数据处理 由于输入通道元器件的非线性、特性漂移和环境电磁干扰等因素的存在，采集的数据中包含有噪声信号，影响了数据的有效性，所以对采集的数据需要进行各种有效的预处理，如线性化或非线性补偿、数字滤波、自校正等。 控制系统中有大量的数据，为了提高控制系统的实时性，在应用软件中需要采取合理的数据结构、存储形式和快速的数据查找技术等。 对于处理以后的数据，需要以人们易于接受的形式加以显示、打印，包括数据格式转换、标度变换等处理。 v 1、数据线性化处理 在数据采集与处理系统中，一般总希望系统的输出和输入呈简单的线性关系，这样当用仪表来检测和显示系统中的某个物理

10、量时，能得到均匀的刻度，不仅读数看起来清楚方便，而且仪表在整个范围内灵敏度一致。 为了保证这些参数能有线性输出，需要引入非线性补偿，将输出信号与被测物理量之间的非线性补偿为线性关系，这种补偿过程称为线性化处理。一、数据线性化处理和非线性补偿线性化处理的计算机实现步骤 (1)用实验法测量输入输出的非线性关系曲线y=f(x)。 (2)将测量得到的曲线进行分段，选择插值基点。分段方法要根据曲线的变化情况确定，使选取的基点更合理。分段方法主要有等距分段法和非等距分段法两种。 (3)确定并计算出各插值点的xi、yi值及两相邻插值点间拟合直线段的斜率ki，并在程序中以数据表的形式存放。 (4)通过查表找出

11、x所在的区间，取出该段直线的斜率ki和基点值xi、yi。(5)根据插值公式y=yi+ki(x-xi)，计算出x点所对应的y值。 等距分段法就是沿x轴等距离选取插值基点。这种方法的主要优点是使公式中的 为常数，从而使计算变得简单，并节省内存。但该方法的缺点是，当函数曲率和斜率变化较大时，将会产生较大的误差。否则，必须把基点分得很细，这样将占用更多的内存，并使计算时间加长。 非等距分段法的特点是，函数基点的分段不是等距离的，而是根据函数曲线的形状及其变化曲率的大小来修正插值间的距离。曲率变化大的，插值间距取得小一点，反之可将插值间距取得相对大一点。2. 非线性补偿非线性补偿(1) 线性插值法v线性

12、插值原理设某传感器输入信号X和输出信号Y之间的关系如图8.1所示。YY0Y1YiYi+1YnX0XX1XiXi+1Xn8.1 传感器的输出特性曲线 从图8-1可以看出： （1）曲线斜率变化越小，替代直线越逼近特性曲线，则线性插值法带来的误差就越小。因此，线性插值法适用于斜率变化不大的特性曲线的线性化。（2）插值基点取得越多，替代直线越逼近实际的曲线，插值计算的误差就越小。因此，只要插值基点足够多，就可以获得足够的精度。b) 线性插值的计算机实现利用计算机实现线性插值的步骤如下： 用实验法测出传感器输出特性曲线，应尽可能保证该曲线的精确性。 选取插值点，将绘制好的曲线分段。 计算并存储各相邻插值

13、点间逼近曲线的斜率 。 计算 。 读出 所在区间的斜率 ，计算 。 计算输出值 。线性插值程序读入X值计算XXi用查表法找出X所在的区间，并取出Ki计算Ki(XXi)计算YXi+Ki(X-Xi)结 束图8.2 线性插值法计算流程v3. 线性插值法非线性补偿实例 根据热电偶的技术数据可以绘制出输出电压信号V和温度T之间的特性曲线，假设热电偶的输出特性曲线如图8-3所示。t( C)。t4t3t2t1V1V2V3V4Vi43211234图8.3 热电偶输出特性曲线v由图8.3可以看出，该热电偶的输出特性曲线斜率的变化不大，可以采用线性插值法进行非线性补偿。选择4个插值基点（V1，T1）、（V2，T2

14、）、（V3，T3）、（V4，T4），然后写出每段曲线的插值函数表达式。11212323434()=()()iiiiKVTK VVTTK VVTK VVT112233440iiiiiVVVVVVVVVV当时当V时当V时当V时当时(2) 二次抛物线插值法 二次抛物线插值法就是通过特性曲线上三点做一条抛物线，用此抛物线替代特性曲线进行参数计算。由于抛物线比直线能更好地逼近特性曲线，所以抛物线插值法能够提高非线性补偿的精度。线性插值法和抛物线插值法补偿精度比较如图8.4所示。 XXXi+1XiY(X0,Y0)(X1,Y1)(X2,Y2)实际的特性曲线抛物线插值法形成的逼近曲线线性插值法形成的逼近曲线图

15、8.4 线性插值法与抛物线插值法补偿二 标度变换 生产过程中的各种参数都有不同的量纲和数值变化范围，这些参数经传感器和A/D转换后得到一个数字量，该数字量仅表示一个代表参数大小的数值，并不一定等于原来带有物理量纲的参数值，故需将其转换成带有物理量纲的数值后才能进行显示或打印输出，这种转换称为标度变换。 1线性参数的标度变换 所谓线性参数,是指参数值与A/D转换结果之间为线性关系，线性标度变换是最常用的变换方法。变换公式如下：0000()xxmmNNYYYYNNv例例8.1某温度测量仪表的量程为100900,利用8031和ADC0809进行A/D转换。在某一时刻计算机采样并经过数字滤波后的数字量

16、为0CDH，求此时对应的温度值是多少？ v解：由上式可知，A0=100，Am=900，Nx=0CDH=(205)D，Nm=0FFH=(255)D，所以此时对应的温度为： 00205()100(900 100)743.1255xxmmNAAAACN三、查表法 所谓查表法，就是把事先计算或测得的数据按一定顺序编制成表格，查表程序的任务就是根据被测参数的值或者中间结果，查出最终所需要的结果。 查表是一种非数值计算方法，利用这种方法可以完成数据补偿、计算、转换等各种工作，它具有回避复杂数学运算和无规则数学运算等优点。1. 顺序查表法顺序查表法顺序查表法的步骤如下：v（1）设定表格的起始地址。v（2）设

17、定表格的长度。v（3）设定要搜索的关键字。v（4）从表格的第一项开始，比较表格数据和关键字，进行数据搜索。开 始判断是关键字否?设定表格初始地址取下一数据设定表格长度设置查找成功标志检索完全部数据否？设置查找失败标志读第一数据读关键字取关键字在表中的地址返 回否否是是图图8.5 顺序查表法程序流程图顺序查表法程序流程图顺序查表法程序清单： SEARCH:MOV R0,TABLE；设定表格起始地址MOVR1,LENGTH ；设定表格长度 CLRFLAG ；查找成功标志位清零LOOP:MOV A,KEY；读关键字XRLA,R0；比较JNZNEXT ；未查找到关键字，继续 SETBFLAG ；查找到

18、关键字，置位查找成功标志位MOVA,R0 ；读出关键字在表中的地址AJMPRETU ；退出查找NEXT:INCR0；指向表格的下一个数据DJNZR1,LOOP；未检索完全部数据，继续RETU:RET；退出查找程序，子程序返回 2. 计算查表法计算查表法 计算查表法适用于数据按一定的规律排列，并且搜索内容和表格数据地址之间的关系能用公式表示的有序表格。 设计一巡回检测报警装置，要求能对16个通道输入值进行比较，当某一通道输入值超过该路的报警值时，发出报警信号。 通道值和报警值的存放地址之间的关系可用下面的公式表示：报警值存放地址=数据表格起始地址+通道值2图8.6 计算查表法顺序流程图设通道值（

19、以16进制表示）存放在CIRC单元中，查表后的上限报警值存放在UPPER单元中，下限报警值存放在LOWER单元中。CLRC；进位标志位清零 MOVDPTR,#TAB ；设置数据表首址 MOVA,CIRC；读检测通道值 RLCA；检测通道值乘2MOVCA,A+DPTR；读上限值MOVUPPER,A；保存上限值INCDPTR MOVCA,A+DPTR；读下限值MOVLOWER,A；保存下限值RETTAB:UPPER0，LOWER0，UPPER1，LOWER1，.，UPPER15，LOWER15 ；报警数据表3.折半查表法折半查表法v折半查表法也称为二分查表法，它充分利用了元素间的次序关系，采用分治

20、策略。其基本思想是将N个元素分成个数大致相同的两半，取aN/2与欲查找的X作比较，如果X=aN/2则找到X，算法终止。如果XaN/2，则我们只要在数组a的右半部继续搜索X。 所谓数字滤波，就是在计算机中用某种计算方法对输入的信号进行数字处理，以削弱或滤除干扰噪声从而获得真实信号的过程。这种滤波方法不需要硬件设备，只需根据预定的滤波算法编制相应的程序即可达到目的，故实质上是一种程序滤波。 数字滤波由于不涉及硬件设备，故可靠性高，稳定性好而成本低，其滤波参数的修改也容易便于灵活使用，而且一种滤波子程序可以被多个通道所共用，数字滤波还可以对各种干扰信号，甚至极低频率的信号进行滤波；其不足之处是占用C

21、PU的机时。第三节第三节 数字滤波数字滤波1、程序判断滤波 程序判断滤波的方法，便是根据实际经验，确定出相邻两次采样信号之间可能出现的最大偏差。若超过此偏差值，则表明该输入信号是干扰信号，应该去掉；如小于此偏差值，可将信号作为本次采样值。 (1) 限幅滤波根据对象的特点和系统的精度，对采样数据的正常范围事先作一个估计。若某次采样受到强烈的干扰，使数据明显超出正常范围，就应该将其剔除。图8.7 限幅滤波程序流程图图8.7 限幅滤波程序流程图（2）限速滤波 限速滤波作法是把两次相邻的采样值相减，求出其增量(以绝对值表示)，再与两次采样允许的最大差值（由被控对象的实际情况决定） 进行比较。若小于或等

22、于 ，则取本次采样值；若大于 ，则仍取上次采样值作为本次采样值，即 ，则 ， 取本次采样值； ，则 ，取上次采样值。 其中， 是第k次采样值； 是第(k-1)次采样值； 是相邻两次采样值可能的最大偏差，其大小取决于采样周期T及Y值的动态响应。YYYYkYkY ) 1(-)(YkYkY ) 1(-)() 1-()(kYkY)()(kYkY)(kY) 1-(kY2. 中值滤波中值滤波 所谓中值滤波法就是对某一被测参数连续采样n次（n一般取奇数），然后把n次采样值按顺序排列，取其中间值作为本次采样值。 中值滤波对于去掉偶然因素引起的波动或采样器不稳定而造成的误差所引起的脉动干扰比较有效。若变量变化比

23、较缓慢，采用中值滤波效果比较好，但对快速变化的参数，如流量，则不宜采用。在中值滤波中，n值不宜太大，一般取35即可；否则滤波效果反而不好，而且总的采样控制时间将增大，系统的实时性差。图8.8中值滤波程序的流程框图 3、算术平均值滤波 这种方法就是在一个采样期内，对信号x的N次测量值进行算术平均，作为时刻k的输出，即 NiixNkx11 其中N为采样次数，xi为第i次的采样值。显然，N越大，平滑度越高，但是灵敏度越低。 算术平均值法适用于一般的具有随机干扰信号的滤波。它特别适合于信号本身在某一数值范围附近作上下波动的情况，如流量、液位等信号的测量。 图8.9 算术平均滤波程序流程4、 加权平均值

24、滤波在一个采样周期中，对信号y连续进行m次采样，并对其取算术平均值，作为本采样周期内的滤波器输出。还可以在平均算法中给各次采样值不同的权重系数，此时滤波算法为： 101( )miiyy im01i101mii011m满足满足通常取通常取v 下限公式(8-7)v 上限公式(8-8)min111(1)()/(2)kkkkkTTkLGGGGGmin111()/(2)kkkkkTTkLGGGGG 5. 众数滤波众数滤波 众数是数理统计中常用的一种数据处理办法，它要求对大量的数据进行处理，以前由于计算机的采样速度和计算机速度较慢，处理周期较长，所以一直没有采用，随着计算机运算速度的提高及高速采集模块的采

25、用，现在处理周期已缩短到1s以内，由于众数滤波的数据代表性较其它处理方法更强，所以逐步被采用。v众数滤波算法的原理是在采样序列 中找出其最大值 和最小值 ，再在区间 ， 上平均分为m组（5 - 10组），组间距为L=（ - ）/ m，第1组的区间为 ， +L，第2组的区间为 +L， +2 L，第3组的区间为 +2 L， +3 L， ，第m组区间为 +（m - 1） L， 确定完分组后，对序列Ti统计各组区间内数据的个数，形成统计序列 ，查找其最大的值即众数组序号kminTminTmaxTmaxTmaxTminTminTminTminTminTminTminTminTmaxT6. 惯性滤波惯性滤

26、波 对于慢速随机变化的参数，采用在短时间内连续采样求平均值的方法，其滤波效果不够好，在这种情况下，通常采用动态滤波方法，如一阶滞后滤波法，其表达式为( )(1)( )(1)Y kX kY kaa=-+-式中， 为第k次采样值； 为上次滤波输出值； 为第n次采样后滤波输出值； 为滤波平滑系数， ； 为滤波环节的时间常数；T为采样周期。)(kX) 1-(kY)(kY)/(TTTfffT惯性滤波也称为一阶滞后滤波，适用于波动频繁的工艺参数滤波，它能很好地消除周期性干扰，但也带来了相位滞后，滞后相位角度的大小与 的选择有关。7. 移动滤波移动滤波 将算法处理中所应用的数据序列定义为当前采样点及其以前的

27、一组数据，数据序列是采样序列中一个可移动截取框内的数据，由于截取框每次向后移动1个数据点，移动截取框第1个数据被丢弃，后序的数据点依次前移1个位置，然后增加1个新的数据，即当前时间采样点数据，构成新的数据序列。由于新的数据序列与旧的数据序列相比，只有一个数据不同，所以在滤波算法中的排序、取和、求众数的算法可以适当修改以适应这个特点，使得上次数据处理的中间结果可以在新的处理重复利用，有效提高运算速度。 移动滤波的结果数据的产生速度与采样速度相同，实时性大大优于普通算法。8. 复合滤波复合滤波 复合滤波就是把两种以上的滤波方法结合起来使用。例如把中值滤波的思想与算术平均的方法结合起来，就是一种常用的复合滤波法。具体方法是首先将采样值按大小排队，去掉最大和最小的，然后再把剩下的取平均值。这样显然比单纯的平均值滤波的效果要好。 可见，这种方法兼容了算术平均值法和中值滤波法的优点。它既可以去掉脉冲干扰，又可以对采样进行平滑加工，在快、慢速系统中它都能削弱干扰，提高控制质量。当采样点数为3时，它便是中值滤波。 一般来说，对于变化缓慢的参数（如温度），可选用程序判断滤波和一阶滞后滤波；而对变化较快的信号（如压力、流量等），则可选用算术平均值滤波；对要求较高的系统可选用复合滤波。如果不适应当地应用数字滤波（例如把真实的参数波动也滤掉了），反而会降低控制效果。