微机控制系统第六章课件.ppt

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1、第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术学习要求学习要求:1了解程序设计技术的一般过程，了解数了解程序设计技术的一般过程，了解数字控制器的工程实现字控制器的工程实现;2熟悉测量数据预处理技术，掌握系统的熟悉测量数据预处理技术，掌握系统的有限字长数值问题和软件抗干扰技术。有限字长数值问题和软件抗干扰技术。1第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第一节第一节 程序设计技术程序设计技术 一个完整的程序设计过程可以用一个完整的程序设计过程可以用右图来说明。首先要分析用户的要求，右图来说明。首先要分析用户的要求，这大约占整个程序设计工作量的这大约占整个程序设计工作量

2、的10%；然后编写程序的说明，这大约也占；然后编写程序的说明，这大约也占10%；接着进行程序的设计与编码，；接着进行程序的设计与编码，这大约占这大约占30%左右，其中设计与编码左右，其中设计与编码几乎各占几乎各占15%；最后进行测试和调试，；最后进行测试和调试，这要花费整个程序设计工作量的这要花费整个程序设计工作量的40%以上。以上。2第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第一节第一节 程序设计技术程序设计技术 程序设计方法：程序设计方法：一、模块化与结构化程序设计一、模块化与结构化程序设计 1模块化程序设计模块化程序设计 1)自底向上模块化设计自底向上模块化设计 2)自顶

3、向下模块化设计自顶向下模块化设计 2结构化程序设计结构化程序设计 结构化程序设计是一种程序设计技术，它采用结构化程序设计是一种程序设计技术，它采用自顶向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下逐步求精的设计方法和单入口单出口的控制结构。3第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第一节第一节 程序设计技术程序设计技术 程程序序设设计计的的五五个个步步骤骤。即即问问题题定定义义、程程序序设设计计、编编码码、调调试试、改改进进和和再再设设计计。问问题题定定义义阶阶段段是是要要明明确确计计算算机机完完成成哪哪些些任任务务、执执行行什什么么程程序序，决决定定输输入入输输出出

4、的的形形式式，与与接接口口硬硬件件电电路路的的连连接接配配合合以以及及出出错错处处理理方方法法；程程序序设设计计是是利利用用程程序序对对任任务务做做出出描描述述，使使用用的的方方法法有有模模块块程程序序设设计计法法和和结结构构化化程程序序设设计计法法；编编码码是是指指程程序序设设计计人人员员选选取取一一种种适适当当的的高高级级(或或汇汇编编)语语言言，书书写写程程序序；调调试试就就是是利利用用各各种种测测试试方方法法检检查查程程序序的的正正确确性性；改改进进和和再再设设计计是是根根据据调调试试中中的的问问题题对对原原设设计计作作修修改，并对程序进行改进设计和补充。改，并对程序进行改进设计和补充

5、。一、模块化与结构化程序设计一、模块化与结构化程序设计4第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第一节第一节 程序设计技术程序设计技术二、高级语言与汇编语言混合编程二、高级语言与汇编语言混合编程 1汇编语言编程汇编语言编程 例如：例如：IN AX，2l0H MOV DX，220H IN AL，DX 又如：又如：MOV DX，230H MOV AX，3435H OUT DX，AX MOV AL，26H OUT 240H，AL5第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第一节第一节 程序设计技术程序设计技术二、高级语言与汇编语言混合编程二、高级语言与汇编语言混合编

6、程 2高级语言编程高级语言编程 例如：例如：A1=_inpw(0 x210)A2=_inp(0 x220)又如：又如：_outpw(0 x230，0 x3435)_outp(0 x240，0 x26)6第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第一节第一节 程序设计技术程序设计技术 三、工业控制组态软件三、工业控制组态软件 组态软件，又称监控组态软件，译自英文组态软件，又称监控组态软件，译自英文SCADA,即即 Supervision,Control and Data Aquisition(数据采集与监视控制数据采集与监视控制),组态软件的应用领域很广，组态软件的应用领域很广，

7、它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统(RTU System,Remote Terminal Unit)。7第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第一节第一节 程序设计技术程序设计技术 三、工业控制组态软件三、工业控制组态软件 组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平

8、台和开发环它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。对应议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的于原有的HMI（人机接口软件，（人机接口软件，Human Machine Interface）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速）的概念，组态软件应该是一个使用户能快

9、速建立自己的建立自己的HMI的软件工具，或开发环境。的软件工具，或开发环境。8第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第一节第一节 程序设计技术程序设计技术 三、工业控制组态软件三、工业控制组态软件 国内组态软件：国内组态软件：1.力控力控ForceControl组态软件（北京三维力控科技有限公司组态软件（北京三维力控科技有限公司 2.组态王组态王KingView组态软件（北京亚控科技发展有限公司）组态软件（北京亚控科技发展有限公司）3.realinfo组态软件组态软件(紫金桥软件技术有限公司紫金桥软件技术有限公司)4.MCGS组态软件组态软件(北京昆仑通态自动化软件科技有限

10、公司北京昆仑通态自动化软件科技有限公司)5.开物开物(controx)组态软件组态软件 6.易控易控(INSPEC)”组态软件组态软件国外组态软件：国外组态软件：1、InTouch 2、IFix 3、Citech 4、WinCC（西门子）9第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第一节第一节 程序设计技术程序设计技术 三、工业控制组态软件三、工业控制组态软件 组态软件实例 随着组态软件技术的快速发展，实时数据库、随着组态软件技术的快速发展，实时数据库、实时控制、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接、通讯及联网、开放数据接口、对口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要

11、内设备的广泛支持已经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。被赋予新的内容。10第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第二节第二节 测量数据预处理技术测量数据预处理技术 一、系统误差的自动校准一、系统误差的自动校准 系统误差系统误差是指在相同条件下，经过多次测量，误差的数值是指在相同条件下，经过多次测量，误差的数值（包括大小符号）保持恒定，或按某种已知的规律变化的误差。（包括大小符号）保持恒定，或按某种已知的规律变化的误差。这种误差的特点是，在一定的测量条件下，其变化规律是可以这种误差的特点是，在一定的测

12、量条件下，其变化规律是可以掌握的，产生误差的原因一般也是知道的，因此原则上讲，系掌握的，产生误差的原因一般也是知道的，因此原则上讲，系统误差是可以通过适当的技术途径来确定并加以校正的。在系统误差是可以通过适当的技术途径来确定并加以校正的。在系统的测量输入通道中，一般均存在零点偏移和漂移，产生放大统的测量输入通道中，一般均存在零点偏移和漂移，产生放大电路的增益误差及器件参数的不稳定等现象，这些误差都属于电路的增益误差及器件参数的不稳定等现象，这些误差都属于系统误差系统误差。11第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第二节第二节 测量数据预处理技术测量数据预处理技术 一、系统误

13、差的自动校准一、系统误差的自动校准 偏偏移移校校准准在在实实际际中中应应用用最最多多，并并且且常常采采用用程程序序来来实现，称为实现，称为数字调零数字调零。调零电路如图。调零电路如图。信号调理信号调理信号转换信号转换信号处理信号处理12第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第二节第二节 测量数据预处理技术测量数据预处理技术 一、系统误差的自动校准一、系统误差的自动校准 在测量时，先把多路输入接到所需测量的一组输入电压在测量时，先把多路输入接到所需测量的一组输入电压上进行测量，测出这时的输入值为上进行测量，测出这时的输入值为x1，然后把多路开关的输，然后把多路开关的输入接地，

14、测出零输入时入接地，测出零输入时A/D转换器的输出为转换器的输出为x0，用，用x1减去减去x0即为实际输入电压即为实际输入电压x。采用这种方法，可去掉输入电路、放。采用这种方法，可去掉输入电路、放大电路、大电路、A/D转换器本身的偏移及随时间和温度而发生的各转换器本身的偏移及随时间和温度而发生的各种漂移的影响，从而大大降低对这些电路器件的偏移值的要种漂移的影响，从而大大降低对这些电路器件的偏移值的要求，简化硬件成本。求，简化硬件成本。13第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第二节第二节 测量数据预处理技术测量数据预处理技术 一、系统误差的自动校准一、系统误差的自动校准14

15、第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第二节第二节 测量数据预处理技术测量数据预处理技术 一、系统误差的自动校准一、系统误差的自动校准 1.全自动校准全自动校准 全自动校准由系统自动完成，不需人的介入，其电路全自动校准由系统自动完成，不需人的介入，其电路结构见上图。该电路的输入部分加有一个多路开关。系统结构见上图。该电路的输入部分加有一个多路开关。系统在刚上电时或每隔一定时间时，自动进行一次校准。这时，在刚上电时或每隔一定时间时，自动进行一次校准。这时，先把开关接地，测出这时的输入值先把开关接地，测出这时的输入值x0，然后把开关接，然后把开关接VR，测出输入值测出输入值x1

16、，并存放，并存放x1、x0，在正式测量时，如测出的输，在正式测量时，如测出的输入值为入值为x，则这时的，则这时的V可用下式计算得出可用下式计算得出:15第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第二节第二节 测量数据预处理技术测量数据预处理技术 一、系统误差的自动校准一、系统误差的自动校准 2.人工自动校准人工自动校准 全自动校准只适于基准参数是电信号的场合，并且它不能校全自动校准只适于基准参数是电信号的场合，并且它不能校正由传感器引入的误差。为了克服这种缺点，可采用人工自动校正由传感器引入的误差。为了克服这种缺点，可采用人工自动校准。准。人工自动校准的原理与全自动校准差不多。

17、只是现在不是自人工自动校准的原理与全自动校准差不多。只是现在不是自动定时进行校准，而是由人工在需要时接入标准的参数进行校准动定时进行校准，而是由人工在需要时接入标准的参数进行校准测量，把测得的数据存储起来，供以后使用。一般人工自动校准测量，把测得的数据存储起来，供以后使用。一般人工自动校准只测一个标准输入信号只测一个标准输入信号yR，零信号的补偿由数字调零来完成。零信号的补偿由数字调零来完成。设数字调零后测出的数据分别为设数字调零后测出的数据分别为xR (接校准输入接校准输入yR时时)和和x(接被测接被测输入输入Y时时)，则可按下式来计算，则可按下式来计算Y。16第六章第六章 应用程序设计与实

18、现技术应用程序设计与实现技术第二节第二节 测量数据预处理技术测量数据预处理技术 二、线性化处理二、线性化处理1.铂热电阻的阻值与温度的关系铂热电阻的阻值与温度的关系 Pt100铂电阻适用于铂电阻适用于-200850全部或部分范围内测温，其全部或部分范围内测温，其主要特性是测温精度高，稳定性好。主要特性是测温精度高，稳定性好。Pt100铂热电阻的阻值与温铂热电阻的阻值与温度的关系为：度的关系为：在在-2000范围内，有：范围内，有：Rt=R01+At+Bt2+C(t-100)t3 在在0850范围内，有：范围内，有：Rt=R0(1+At+Bt2)其中：其中：A=3.9080210-3-1 B=-

19、5.80210-7-2 C=-4.2735010-12-4 R0=100（0的电阻值）的电阻值）17第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第二节第二节 测量数据预处理技术测量数据预处理技术 二、线性化处理二、线性化处理2.热电偶的热电势与温度的关系热电偶的热电势与温度的关系 热电偶的热电势同所测温度之间是非线性关系。热电偶的热电势同所测温度之间是非线性关系。例如铁例如铁康铜热电偶，在康铜热电偶，在0400范围内，当允许误差范围内，当允许误差1，按下式计，按下式计算温度算温度:T=a4E4+a3E3+a2E2+a1E 式中式中E为热电势为热电势mV，T为温度为温度，a1=1.

20、975095310 a2=-1.854260010-1 a3=8.368395810-1 a4=-1.328056810-4又例如，镍铬又例如，镍铬镍铝热电偶，在镍铝热电偶，在4001000范围内，按下式计算温度范围内，按下式计算温度T=b4E4+b3E3+b2E2+b1E+b0 式中式中E为热电势为热电势mV，T为温度为温度，b0=-2.470711210 b1=-2.946563310 b2=-1.854260010-1 b3=6.507571710-3 b4=-3.966383410-518第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第二节第二节 测量数据预处理技术测量数据

21、预处理技术 三、标度变换方法三、标度变换方法 计计算算机机控控制制系系统统在在读读入入被被测测模模拟拟信信号号并并转转换换成成数数字字量量后后，往往往往要要转转换换成成操操作作人人员员所所熟熟悉悉的的工工程程值值。这这是是因因为为被被测测量量对对象象的的各各种种数数据据的的量量纲纲与与A/D转转换换的的输输入入值值是是不不一一样样的的。例例如如，压压力力的的单单位位为为Pa，流流量量的的单单位位为为m3/h，温温度度的的单单位位为为等等。这这些些参参数数经经传传感感器器和和A/D转转换换后后得得到到一一系系列列的的数数码码，这这些些数数码码值值并并不不一一定定等等于于原原来来带带有有量量纲纲的

22、的参参数数值值，它它仅仅仅仅对对应应于于参参数数值值的的大大小小，故故必必须须把把它它转转换换成成带带有有量量纲纲的的数数值值后后才才能能运运算算、显显示示或或打打印印输输出出，这这种种转转换换就就是是标标度度变变换换。标标度度变变换换有有各各种种类类型型，它它取取决决于于被被测测参参数数的的传传感感器器的类型，应根据实际要求来选用适当的标度变换方法。的类型，应根据实际要求来选用适当的标度变换方法。19第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第二节第二节 测量数据预处理技术测量数据预处理技术 三、标度变换方法三、标度变换方法 这种标度变换的前提是参数值与这种标度变换的前提是参

23、数值与A/D转换结果之间为线性转换结果之间为线性关系，是最常用的变换方法。它的变换公式如下关系，是最常用的变换方法。它的变换公式如下:Y=(Ymax-Ymin)(X-Nmin)/(Nmax-Nmin)+Ymin 其中：其中：Y表示参数测量值，表示参数测量值，Ymax表示参数量程最大值表示参数量程最大值,Ymin表表示参数量程最小值，示参数量程最小值，Nmax表示表示Ymax对应的对应的A/D转换后的输入值，转换后的输入值，Nmin表示量程起点表示量程起点Ymin对应的对应的A/D转换后的输入值，转换后的输入值，X表示测量表示测量值值Y对应的对应的A/D转换值。转换值。1.线性变换公式线性变换公

24、式20第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第二节第二节 测量数据预处理技术测量数据预处理技术 三、标度变换方法三、标度变换方法 有有些些传传感感器器测测出出的的数数据据与与实实际际的的参参数数不不是是线线性性关关系系，它它们们有有着着由由传传感感器器和和测测量量方方法法决决定定的的函函数数关关系系，并并且且这这些些函函数数关关系系可用解析式来表示，可采用直接按解析式来计算。可用解析式来表示，可采用直接按解析式来计算。如如当当用用差差压压变变送送器器来来测测量量信信号号时时，由由于于差差压压与与流流量量的的平平方方成成正正比比，这这样样，实实际际流流量量Y与与差差压压变变送

25、送器器并并经经A/D转转换换后后的的测测量量值值X成平方根关系。这时可采用如下计算公式：成平方根关系。这时可采用如下计算公式：2.公式转换法公式转换法 21第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第二节第二节 测量数据预处理技术测量数据预处理技术 四、越限报警处理四、越限报警处理 由采样读入的数据或经计算机处理后的数据是否超出工艺参数的范由采样读入的数据或经计算机处理后的数据是否超出工艺参数的范围，计算机要加以判别，如果超越了规定数值，就需要通知操作人员采样围，计算机要加以判别，如果超越了规定数值，就需要通知操作人员采样相应的措施，确保生产安全。相应的措施，确保生产安全。越限

26、报警是工业控制过程常见而又实用的一种报警形式，它分为上越限报警是工业控制过程常见而又实用的一种报警形式，它分为上限报警、下限报警及上下限报警。如果需要判断的报警参数是限报警、下限报警及上下限报警。如果需要判断的报警参数是xn，该参数，该参数的上下限约束值分别为的上下限约束值分别为xmax和和xmin，则上下限报警的物理意义如下：，则上下限报警的物理意义如下：上限报警：若上限报警：若xnxmax则上限报警，否则继续执行原定操作。则上限报警，否则继续执行原定操作。下限报警：若下限报警：若xnxmin,则下限报警，否则继续执行原定操作。则下限报警，否则继续执行原定操作。上下限报警：若上下限报警：若x

27、nxmax，则上限报警，否则对下式做判别：，则上限报警，否则对下式做判别：xnxmin 否？若是则下限报警，否则继续原定操作。否？若是则下限报警，否则继续原定操作。根据上述规定，程序可以实现对被参数根据上述规定，程序可以实现对被参数y、偏差、偏差e以及控制量以及控制量u进行上下进行上下限检查。限检查。22第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第三节第三节 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公用，只是数字控制器的算法程序可被所有的控制回路公用，只是各控制回路的原始数据不同。因此，必须为每个回路提供一各控制回路的原始数据不同。因此，

28、必须为每个回路提供一段内存数据区，以便存放参数。既然数字控制器是公共子程段内存数据区，以便存放参数。既然数字控制器是公共子程序，那就应该在设计时，必须考虑各种工程实际问题，并含序，那就应该在设计时，必须考虑各种工程实际问题，并含有多种功能，以便用户选择。数字控制器算法的工程实际可有多种功能，以便用户选择。数字控制器算法的工程实际可分为分为6部分，如图所示数字控制器（部分，如图所示数字控制器（PID)的控制模块。的控制模块。23第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第三节第三节 数字控制器的工程实现数字控制器的工程实现 一、给定值和被控量处理一、给定值和被控量处理1.给定值处

29、理给定值处理 给定值处理包括选择定值给定值处理包括选择定值SV和给定值变化率限制和给定值变化率限制SR两部分，两部分，如图所示。通过选择软开关如图所示。通过选择软开关CL/CR，可以构成内给定状态或外，可以构成内给定状态或外给状态；通过选择软开关给状态；通过选择软开关CAS/SCC，可以构成串级控制，可以构成串级控制CAS或或SCC控制。控制。内给定值内给定值外给定值外给定值给定值变化率限制给定值变化率限制24第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第三节第三节 数字控制器的工程实现数字控制器的工程实现 一、给定值和被控量处理一、给定值和被控量处理1.给定值处理给定值处理 （

30、1）内给定状态）内给定状态:当软开关当软开关CL/CR切向切向CL位置时，选择操作位置时，选择操作员设置的给定值员设置的给定值SVL。这时系统处于单回路控制的内给定状态，。这时系统处于单回路控制的内给定状态，利用给定值键可以改变给定值。利用给定值键可以改变给定值。(2)外给定状态外给定状态:当软开关当软开关CL/CR切向切向CR位置时，给定值来自位置时，给定值来自上位计算机、主回路或运算模块。这时系统处于外给定状态。上位计算机、主回路或运算模块。这时系统处于外给定状态。在此状态下，可以实现以下两种控制方式。在此状态下，可以实现以下两种控制方式。A.SCC控制控制:当软开关当软开关CAS/SCC

31、切向位置切向位置SCC位置时，接收位置时，接收自上位计算机的给定值自上位计算机的给定值SVS，以便实现二级计算机控制。，以便实现二级计算机控制。B.串级控制串级控制:当软开关当软开关CAS/SCC切向切向CAS位置时，给定值位置时，给定值SVC来自主调节模块，实现串级控制。来自主调节模块，实现串级控制。25第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第三节第三节 数字控制器的工程实现数字控制器的工程实现 一、给定值和被控量处理一、给定值和被控量处理1.给定值处理给定值处理 (3)给定值变化率限制给定值变化率限制 为了减少给定值突变对控制系统的扰动，防止饱和，以实为了减少给定值突变

32、对控制系统的扰动，防止饱和，以实现平稳控制，需要对给定值的变化率现平稳控制，需要对给定值的变化率SR加以限制。变化率的加以限制。变化率的选取要适中，过小使响应变慢，过大达不到限制的目地的。选取要适中，过小使响应变慢，过大达不到限制的目地的。综上所述，在给定值处理框图中，共具有综上所述，在给定值处理框图中，共具有3个输入量个输入量(SVL、SVC、SVS)，2个输出量个输出量(SV、CSV)，2个开关量个开关量(CL/CR，CAS/SCC)，1 个变化率个变化率(SR)。为了便于。为了便于PID控制程序调用这些控制程序调用这些量，需要给每个量，需要给每个PID控制模块提供一段内存数据区，来存储以

33、控制模块提供一段内存数据区，来存储以上变量。上变量。26第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第三节第三节 数字控制器的工程实现数字控制器的工程实现 一、给定值和被控量处理一、给定值和被控量处理2.被控制量处理被控制量处理 为为了了安安全全运运行行，需需要要对对被被控控量量PV进进行行上上下下限限报报警警处处理理，其原理如图所示。其原理如图所示。上限报警上限报警下限报警下限报警被控量变化率被控量变化率报警死区报警死区27第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第三节第三节 数字控制器的工程实现数字控制器的工程实现 一、给定值和被控量处理一、给定值和被控量处

34、理2.被控制量处理被控制量处理 当当PVPH(上限值上限值)时，则上限报警状态时，则上限报警状态(PHA)“1”；当当PVPL(下限值下限值)时，则下限报警状态时，则下限报警状态(PLA)“1”当出现上、下限报警状态当出现上、下限报警状态(PHA、PLA)时，它们通过驱时，它们通过驱动电路发出声或光，以便提醒操作员注意。为了不使动电路发出声或光，以便提醒操作员注意。为了不使PHA/PLA的状态频繁改变，可以设置一定的报警死区的状态频繁改变，可以设置一定的报警死区(HY)。为了实现平稳控制，需要对参与控制的被控量的变。为了实现平稳控制，需要对参与控制的被控量的变化率化率PR加限制。变化率的选取要

35、适中，过小会使响应变加限制。变化率的选取要适中，过小会使响应变慢，过大则不到限制的目地。慢，过大则不到限制的目地。28第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第三节第三节 数字控制器的工程实现数字控制器的工程实现 二、偏差处理二、偏差处理 偏差处理分为计算偏差、偏差报警、非线性特性和输入偏差处理分为计算偏差、偏差报警、非线性特性和输入补偿等四部分，如图所示。补偿等四部分，如图所示。偏差报警偏差报警方向控制方向控制输入补偿输入补偿输入补偿量输入补偿量29第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第三节第三节 数字控制器的工程实现数字控制器的工程实现 二、偏差处理

36、二、偏差处理 1.计算偏差计算偏差 根据正根据正/反作用方式反作用方式(D/R)计算偏差计算偏差DV，即：，即：当当D/R=0，代表正作用，此时偏差，代表正作用，此时偏差DV+=CPV-CSV；当当D/R=1，代表反作用，此时偏差，代表反作用，此时偏差DV-=CSV-CPV；2.偏差报警偏差报警 对于控制要求较高的对象，不仅要设置被控制量对于控制要求较高的对象，不仅要设置被控制量PV的的 上、下限报警，而且要设置偏差报警。当偏差绝对值上、下限报警，而且要设置偏差报警。当偏差绝对值DL时，则偏差报警状态时，则偏差报警状态DLA为为“1”。30第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现

37、技术第三节第三节 数字控制器的工程实现数字控制器的工程实现 二、偏差处理二、偏差处理 3.输入补偿输入补偿 根据输入补偿方式根据输入补偿方式ICM状态，决定偏差状态，决定偏差DVC与补偿量与补偿量ICV之间的关系，即：之间的关系，即：当当 ICM=0，代表无补偿，此时，代表无补偿，此时CDV=DVC；当当 ICM=1，代表加补偿，此时，代表加补偿，此时CDV=DVC+ICV；当当 ICM=2，代表减补偿，此时，代表减补偿，此时CDV=DVC-ICV；当当 ICM=3，代表置换补偿，此时，代表置换补偿，此时CDV=ICV。利用加、减输入补偿，可以分别实现前馈控制和纯滞补偿利用加、减输入补偿，可以

38、分别实现前馈控制和纯滞补偿(Smith)控制。控制。31第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第三节第三节 数字控制器的工程实现数字控制器的工程实现 二、偏差处理二、偏差处理 4.非线性特性非线性特性 为了实现非线性为了实现非线性PID控制或带死区的控制或带死区的PID控制，设置了非控制，设置了非线性区线性区-A至至+A和非线性增益和非线性增益K，非线性特性如图所示。，非线性特性如图所示。当当K=0时，则为带死区的时，则为带死区的PID控制；控制；当当0K1时，则为非线性时，则为非线性PID控制；控制；当当K=1时，则为正常的时，则为正常的PID控制。控制。32第六章第六章

39、 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第三节第三节 数字控制器的工程实现数字控制器的工程实现 三、控制算法的实现三、控制算法的实现 在自动状态下，需要进行控制计算，即按照各种控制算法在自动状态下，需要进行控制计算，即按照各种控制算法的差分方程，计算控制量的差分方程，计算控制量U，并进行上、下限限幅处理，如图，并进行上、下限限幅处理，如图所示。以所示。以PID控制算法为例，当软开关控制算法为例，当软开关DV/PV切向切向DV位时，则位时，则选用偏差微分方式；当软开关选用偏差微分方式；当软开关DV/PV切向切向PV位置时，则选用测位置时，则选用测量量(即被控量即被控量)微分方式。微分方式。

40、CPV33第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第三节第三节 数字控制器的工程实现数字控制器的工程实现 四、控制量处理四、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Uk以以前前，还还应应经经过过图图所所示示的的各各项处理和判断，以便扩展控制功能，实现安全平稳操作。项处理和判断，以便扩展控制功能，实现安全平稳操作。1.输出补偿输出补偿 根据输出补偿方式根据输出补偿方式OCM的状态，决定控的状态，决定控制量制量UK与输出补偿量与输出补偿量OCV之间的关系：之间的关系：当当OCM=0OCM=0，代表无补偿，此时，代表无补偿，此时U Uc c=U=Uk k当当OCM

41、=1OCM=1，代表加补偿，此时，代表加补偿，此时U Uc c=U=Uk k+OCV+OCV当当OCM=2OCM=2，代表减补偿，此时，代表减补偿，此时U Uc c=U=Uk k-OCV-OCV当当OVM=3OVM=3，代表置换补偿，此时，代表置换补偿，此时 U Uc c=OCV=OCV输出补偿输出补偿变化率限制变化率限制34第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第三节第三节 数字控制器的工程实现数字控制器的工程实现 四、控制量处理四、控制量处理 2.变化限制：变化限制：为了实现平稳操作，需要对控制量的变化率为了实现平稳操作，需要对控制量的变化率MR加以限制。变化率的选取要

42、适中，过小会使操作缓慢，过大则加以限制。变化率的选取要适中，过小会使操作缓慢，过大则达不到限制的目的。达不到限制的目的。3.3.输出保持：当软开关输出保持：当软开关FH/NHFH/NH切向切向NHNH位置时，现时刻的控制量位置时，现时刻的控制量u(k)u(k)等于前一时刻的控制量等于前一时刻的控制量u(k-1)u(k-1)，也就是说，输出控制量保，也就是说，输出控制量保持不变。当软开关持不变。当软开关FH/NHFH/NH切向切向FHFH位置时，又恢复正常输出方式。位置时，又恢复正常输出方式。软开关软开关FH/NHFH/NH状态一般来自系统安全报警开关。状态一般来自系统安全报警开关。4.4.安全

43、输出：当软开关安全输出：当软开关FS/NSFS/NS切向切向NSNS位置时，现时刻的控制位置时，现时刻的控制量等于预置的安全输出量量等于预置的安全输出量MSMS。当软开关。当软开关FS/NSFS/NS切向切向FSFS位置时，又位置时，又恢复正常输出方式。软开关恢复正常输出方式。软开关FS/NSFS/NS状态一般来自系统安全报警开状态一般来自系统安全报警开关。关。35第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第三节第三节 数字控制器的工程实现数字控制器的工程实现 五、自动手动切换五、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

44、或或出出现现故障时，系统处于手动状态。下图为自动故障时，系统处于手动状态。下图为自动/手动切换处理框图。手动切换处理框图。手动自动选择手动自动选择控制量限幅控制量限幅36第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第三节第三节 数字控制器的工程实现数字控制器的工程实现 五、自动手动切换五、自动手动切换 1.1.软自动软自动/软手动软手动 当软开关当软开关SA/SMSA/SM切向切向SASA位置时，系统处于正常的自动状态，位置时，系统处于正常的自动状态，称为软自动称为软自动(SA)(SA)；反之，切向；反之，切向SMSM位置时，控制量来自操键盘位置时，控制量来自操键盘或上位计算机，

45、此时系统处于计算机手动状态，称为软手动或上位计算机，此时系统处于计算机手动状态，称为软手动(SM)(SM)。一般在调试阶段，采用软手动。一般在调试阶段，采用软手动(SM)(SM)方式。方式。2.2.控制量限幅控制量限幅 为了保证执行机构工作在有效范围内，需要对控制量为了保证执行机构工作在有效范围内，需要对控制量UsUs进行上、下限限幅处理，使得进行上、下限限幅处理，使得MLMVMHMLMVMH，再经，再经D/AD/A转换器输转换器输出出0 010mA10mA（DCDC）或）或4 420mA(DC)20mA(DC)。37第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第三节第三节 数字

46、控制器的工程实现数字控制器的工程实现 五、自动手动切换五、自动手动切换 3.3.自动自动/手动手动 对于一般的计算机控制系统，可采用手动操作器作为计算对于一般的计算机控制系统，可采用手动操作器作为计算机的后备操作。当切换开关处于机的后备操作。当切换开关处于HAHA位置时，控制量位置时，控制量MVMV通过通过D/AD/A输出，此时系统处于正常的计算机控制方式，称为自动状态输出，此时系统处于正常的计算机控制方式，称为自动状态(HA(HA状态状态)；反之，若切向；反之，若切向HMHM位置，则计算机不再承担控制任务，位置，则计算机不再承担控制任务，由运行人员通过手动操作器输出由运行人员通过手动操作器输

47、出0 010mA10mA（DCDC）或）或4 420mA(DC)20mA(DC)信号，对执行机构进行远方操作，这称手动状态信号，对执行机构进行远方操作，这称手动状态(HM(HM状态状态)。38第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第三节第三节 数字控制器的工程实现数字控制器的工程实现 五、自动手动切换五、自动手动切换 4.4.无平衡无扰动切换无平衡无扰动切换 为了完成无平衡无扰动切换，就需采取以下措施。为了完成无平衡无扰动切换，就需采取以下措施。为了实现从手动到自动的无平衡无扰动切换，在手动为了实现从手动到自动的无平衡无扰动切换，在手动(SM(SM或或HM)HM)状态下，尽

48、管并不进行状态下，尽管并不进行PIDPID计算，但应使给定值计算，但应使给定值(CSV)(CSV)跟踪被跟踪被控量控量(CPV)(CPV)，同时也要把历史数据，如，同时也要把历史数据，如e(k-1)e(k-1)和和e(k-2)e(k-2)清零，还清零，还要使要使u(k-1)u(k-1)跟踪手动控制量跟踪手动控制量(MV(MV和和VM)VM)。这样，一旦切向自动而。这样，一旦切向自动而u(k-1)u(k-1)又等于切换瞬间的手动控制量，这就保证了又等于切换瞬间的手动控制量，这就保证了PIDPID控制量的控制量的连续性。当然，这一切需要有相应的硬件电路配合。连续性。当然，这一切需要有相应的硬件电路

49、配合。当从自动当从自动(SA(SA与与HA)HA)切向手动切向手动(SM)(SM)时，只要计算机应用程序时，只要计算机应用程序工作正常，就能自动保证无扰动切换。当从自动工作正常，就能自动保证无扰动切换。当从自动(SA(SA与与HA)HA)切向切向硬手动硬手动(HM)(HM)时，通过手动操作器电路，也能保证无扰动切换时，通过手动操作器电路，也能保证无扰动切换 。39第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第四节第四节 系统的有限字长数值问题系统的有限字长数值问题 实现一个计算机控制系统时必须回答这样一些问题：实现一个计算机控制系统时必须回答这样一些问题：转换器应有多精确？在计算

50、中要求什么样的精度？为了转换器应有多精确？在计算中要求什么样的精度？为了回答这些问题，必须了解限制条件的影响并估计其对闭回答这些问题，必须了解限制条件的影响并估计其对闭环系统造成的后果。这并不是一个无关紧要的问题，因环系统造成的后果。这并不是一个无关紧要的问题，因为其答案与反馈、算法和采样速率的综合作用有关。为其答案与反馈、算法和采样速率的综合作用有关。40第六章第六章 应用程序设计与实现技术应用程序设计与实现技术第四节第四节 系统的有限字长数值问题系统的有限字长数值问题 一、量化误差来源一、量化误差来源 1.量化误差量化误差 设计算机字长为设计算机字长为n1，采用定点无符号整数，则机内数的最