第7章 数据库与应用程序设计.ppt

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1、第7章 计算机控制系统的软件设计 计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院概述概述uu软件设计的基本特征软件设计的基本特征设计、施工和标准化。设计、施工和标准化。uu软件工程学科软件工程学科软件的需求分析、设计、构造、测量、维护软件的需求分析、设计、构造、测量、维护和管理以及软件工程等各个方面，许多内容和管理以及软件工程等各个方面，许多内容所涉及的是工程及管理的知识所涉及的是工程及管理的知识装置优化层企业计划决策软件最优调度软件工业对象操作优化软件监控平台软件基本控制软件局部优化软件先进控制软件先进

2、控制软件局部优化软件先进控制软件先进控制软件先进控制层现场控制层计计算算机机控控制制系系统统软软件件组组成成框框图图 直接程序：直接程序：完成信号采集、处理和各类控制完成信号采集、处理和各类控制 信号的输出任务，其性能直接影信号的输出任务，其性能直接影 响系统的运行效率和精度。响系统的运行效率和精度。规范服务性程序：完成规范性服务功能，如规范服务性程序：完成规范性服务功能，如 报表打印输出、报警输出、报表打印输出、报警输出、算法运行、各种画面显示等。算法运行、各种画面显示等。辅助程序：包括接口驱动程序、检验程序，辅助程序：包括接口驱动程序、检验程序，设备自诊断程序，当检测到错误设备自诊断程序，

3、当检测到错误 时，启用备用通道并自动切换时，启用备用通道并自动切换（设计核心）（设计核心）（不可缺少）（不可缺少）程程序序功功能能模模块块计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院数据库技术与应用程序设计数据库技术与应用程序设计uu7.1数据库技术数据库技术在计算机控制系统中，数据处理占很大比重。在计算机控制系统中，数据处理占很大比重。所以在计算机控制系统中引入数据库技术，所以在计算机控制系统中引入数据库技术，并对数据库进行统一高效的管理是非常必要并对数据库进行统一高效的管理是非常必要的。的。传统的数

4、据库以存储信息为主要目的，在控传统的数据库以存储信息为主要目的，在控制系统中却要求制系统中却要求数据的实时性数据的实时性比较强，所以比较强，所以传统的数据库不能满足实时应用的要求。传统的数据库不能满足实时应用的要求。计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院7.1 数据库技术数据库技术uu7.1.2 分布式数据库分布式数据库分布式数据库是数据库技术与计算机网络结分布式数据库是数据库技术与计算机网络结合的产物。合的产物。特点特点1:数据的数据的物理分布性物理分布性，数据分布在不同场地，数据分布在不同场地

5、的不同的计算机上。的不同的计算机上。特点特点2:数据的数据的逻辑整体性逻辑整体性，数据相互关联，在逻，数据相互关联，在逻辑上是整体。辑上是整体。特点特点3:数据分布的独立性，在用户看来，数据库数据分布的独立性，在用户看来，数据库仍然是一个集中的数据库，不用关心数据的分布仍然是一个集中的数据库，不用关心数据的分布情况。情况。计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院7.1 数据库技术数据库技术uu7.1.3 实时数据库实时数据库从各通道采集来的数据以及网络上传递来的从各通道采集来的数据以及网络上传递来的

6、一些数据都可存入实时数据库，当软件模块一些数据都可存入实时数据库，当软件模块需要数据时，可不必到硬件上读取数据，而需要数据时，可不必到硬件上读取数据，而是直接从实时数据库中去读取数据。是直接从实时数据库中去读取数据。计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院7.1 数据库技术数据库技术uu7.1.4 历史数据库历史数据库保存一段时间内的数据，供操作人员进行变保存一段时间内的数据，供操作人员进行变化趋势的分析实现对重要数据的组织归并、化趋势的分析实现对重要数据的组织归并、汇成各种表格，利于管理人员进行各

7、种高层汇成各种表格，利于管理人员进行各种高层次的综合分析。次的综合分析。短间隔趋势显示历史数据库长间隔的历史数据库带计算的长间隔历史数据报警检查与处理实时运行数据库组态数据库历史数据库历史数据存储磁盘处理模块报警显示图形界面显示趋势显示报表显示数据库通信程序接口组件（API）I/O驱动程序图7-10 组态软件数据库系统结构 计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院7.2 数字滤波程序数字滤波程序uu什么是数字滤波？什么是数字滤波？所谓数字滤波，是通过一定的计算程序对采所谓数字滤波，是通过一定的计算程

8、序对采样信号进行平滑加工，提高其有用信号，消样信号进行平滑加工，提高其有用信号，消除和减少各种干扰和噪声，以保证计算机系除和减少各种干扰和噪声，以保证计算机系统的可靠性。统的可靠性。计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院7.2 数字滤波程序数字滤波程序uu数字滤波与模拟数字滤波与模拟RC滤波器相比的优点：滤波器相比的优点：不需增加任何硬件设备不需增加任何硬件设备不存在阻抗匹配问题不存在阻抗匹配问题模拟滤波器每个通道都有，而数字滤波器模拟滤波器每个通道都有，而数字滤波器可可多个通道共用多个通道共用可

9、以对频率很低的信号进行滤波可以对频率很低的信号进行滤波使用灵活方便使用灵活方便，可根据需要选择不同的滤波，可根据需要选择不同的滤波方法，或改变滤波器参数。方法，或改变滤波器参数。计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院7.2.1 程序判断滤波程序判断滤波uu当信号由于随机干扰和误检测或者变送当信号由于随机干扰和误检测或者变送器不稳定而引起严重失真时，可采用程器不稳定而引起严重失真时，可采用程序判断滤波。序判断滤波。uu程序判断滤波的应用要以生产经验为前程序判断滤波的应用要以生产经验为前提。提。uu适

10、用于慢速变化过程。适用于慢速变化过程。uu根据滤波方法不同，可分为根据滤波方法不同，可分为限幅滤波限幅滤波和和限速滤波限速滤波。计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院7.2.1 程序判断滤波程序判断滤波uu1.1.限幅滤波限幅滤波限幅滤波限幅滤波求出两次相邻采样值的差值，与允许的最大差值求出两次相邻采样值的差值，与允许的最大差值Y Y比较。比较。Y Y是两次采样值所允许的最大差值，取决于采样是两次采样值所允许的最大差值，取决于采样周期周期T T和实际系统的输出动态响应。和实际系统的输出动态响应。计

11、算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院7.2.1 程序判断滤波程序判断滤波uu2.2.限速滤波限速滤波限速滤波限速滤波即兼顾了采样的实时性，又照顾了不采样时的连续性。即兼顾了采样的实时性，又照顾了不采样时的连续性。计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院7.2.2 中值滤波中值滤波uu中值滤波的基本原理在某采样瞬间对被测参数连续采样N(NN(NN(NN(N为奇为奇为奇为奇数数数数）次,选择大小居中的数据作

12、为有效信号。uu适用范围能有效地去除由于偶然因素引起的波动或因采样器的不稳定造成的误码等脉冲性干扰。适用于慢速变化过程。计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院7.2.3 算术平均滤波算术平均滤波对参数进行连续采样，然后求其算术对参数进行连续采样，然后求其算术 平均值作为有平均值作为有效采样值。效采样值。该算法主要对压力、流量等周期脉动的采样值进行该算法主要对压力、流量等周期脉动的采样值进行平滑加工，但对脉冲干扰的平滑不理想。平滑加工，但对脉冲干扰的平滑不理想。平均次数平均次数n影响平滑度和灵敏度，

13、随着影响平滑度和灵敏度，随着n值的增大，值的增大，平滑度提高，灵敏度降低。平滑度提高，灵敏度降低。计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院7.2.4 加权平均滤波加权平均滤波u加权递推平均滤波加权递推平均滤波(滑动平均值滤波滑动平均值滤波)基本思想：基本思想：基本思想：基本思想：算术平均值滤波对每个采样值给出相同的算术平均值滤波对每个采样值给出相同的权重系数权重系数,即即1/m。若要增加新采样值在有效信号中。若要增加新采样值在有效信号中的比重的比重,提高系统对当前所受干扰的灵敏度提高系统对当前所受干

14、扰的灵敏度,实际应实际应用时用时,可采用可采用加权递推加权递推加权递推加权递推平均滤波平均滤波,其算式为其算式为常数常数 Ci 的选取是多种多样的，满足的选取是多种多样的，满足计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院7.2.5 低通滤波低通滤波uu惯性滤波法基本概念用软件实现用软件实现RC低通滤波器功能低通滤波器功能,动态方程为动态方程为 其中其中 Tf=RC，称为滤称为滤 波时间常数波时间常数离散化后动态方程，离散化后动态方程，T为采样周期为采样周期,得得 ,0a1,称为滤波系数。称为滤波系数。计

15、算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院7.2.6 滑动平均滤波滑动平均滤波uu只采样一次，将这一次采样值和过去的只采样一次，将这一次采样值和过去的若干次采样值一起求平均。得到的有效若干次采样值一起求平均。得到的有效值投入使用。值投入使用。uu编程时，编程时，RAM中开辟中开辟n个数据暂存区。个数据暂存区。每采集一个数据便存入暂存区，同时去每采集一个数据便存入暂存区，同时去掉一个最老的数据。掉一个最老的数据。计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学

16、院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院7.2.7 滤波方法比较滤波方法比较uu各种滤波方法的特点与应用各种滤波方法的特点与应用平均值滤波平均值滤波平均值滤波平均值滤波适用于周期性干扰；适用于周期性干扰；加权平均递推滤波加权平均递推滤波加权平均递推滤波加权平均递推滤波适用于纯滞后较大的过程；适用于纯滞后较大的过程；中值滤波和程序判断滤波中值滤波和程序判断滤波中值滤波和程序判断滤波中值滤波和程序判断滤波适用于偶然出现的适用于偶然出现的脉冲干扰；脉冲干扰；惯性滤波惯性滤波惯性滤波惯性滤波适用于高频干扰。适用于高频干扰。滑动平均滤波滑动平均滤波适用于快速过程。适用于快速过程。计算机控制技术计算机控

17、制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院7.3 标度变换标度变换uu为什么要进行标度变换？为什么要进行标度变换？uu标度变换的任务是什么？标度变换的任务是什么？uu标度变换有哪几种常用方法？标度变换有哪几种常用方法？计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院为什么要进行标度变换？为什么要进行标度变换？u生产中的各种参数都有着不同的生产中的各种参数都有着不同的量纲量纲和和数值数值，但在计算机控制系统的采集、但在计算机控制系统的采集

18、、A/D转换转换过程中过程中已变为无量纲的数据，当系统在进行显示、记已变为无量纲的数据，当系统在进行显示、记录、打印和报警等操作时，必须把这些测得的录、打印和报警等操作时，必须把这些测得的数据还原为相应量纲的物理量，这就需要进行数据还原为相应量纲的物理量，这就需要进行标度变换标度变换。图7-3 标度变换原理图 计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院标度变换的任务标度变换的任务u标度变换标度变换的任务是把计算机系统检测的对象参的任务是把计算机系统检测的对象参数的二进制数值还原变换为原物理量的工程实数

19、的二进制数值还原变换为原物理量的工程实际值。际值。传感器把传感器把工程量工程量转换成电信号，并进行放大、转换成电信号，并进行放大、A/D转换成转换成二进制数字量二进制数字量，送入计算机。此次标度变换，送入计算机。此次标度变换由由硬件完成硬件完成。CPU 读入该数字信号并进行分析处理，在送到显示读入该数字信号并进行分析处理，在送到显示器进行显示以前，必须把无量纲的器进行显示以前，必须把无量纲的二进制数值二进制数值再还再还原变换成原变换成工程量工程量。此次标度变换由。此次标度变换由软件完成软件完成。计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东

20、建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院标度变换的方法标度变换的方法标度变换算它取决于被测参数的工程量与转换标度变换算它取决于被测参数的工程量与转换后的无量纲数字量之间的后的无量纲数字量之间的函数关系函数关系。一般而言，。一般而言，输入通道中的输入通道中的放大器放大器、A/D转换器转换器基本上是线基本上是线性的，因此，传感器的输入输出特性就大体上性的，因此，传感器的输入输出特性就大体上决定了不同的标度变换方法。决定了不同的标度变换方法。主要方法有：主要方法有：线性式变换线性式变换、非线性式变换非线性式变换、多多项式变换项式变换以及以及查表法查表法。计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控

21、制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院线性变换线性变换u线性标度变换线性标度变换是最常用的标是最常用的标度变换方式，度变换方式，其前提条件是其前提条件是传感器的传感器的输出输出信号信号与被测参与被测参数之间呈数之间呈线性线性关系关系，如图，如图7-4所示。所示。图7-4 线性关系的标度变换计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院数字量Nx对应的工程量Ax的线性标度变换公式为：(7-8)式中：A0一次测量仪表的下限（测量范围最小值）；Am一次测量仪表的上

22、限（测量范围最大值）；Ax实际测量值(工程量)；N0仪表下限所对应的数字量；Nm仪表上限所对应的数字量；Nx实际测量值所对应的数字量。计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院例：某加热炉温度测量仪表的量程为例：某加热炉温度测量仪表的量程为200 800，在，在某一时刻计算机系统采样并经数字滤波后的数字量为某一时刻计算机系统采样并经数字滤波后的数字量为CDH，求此时的温度值是多少？求此时的温度值是多少？(设该仪表的量程是线设该仪表的量程是线性的性的)。解：根据式解：根据式(7-10)已知，已知，A0=

23、200,Am=800，Nx=CDH=(205)D，Nm=FFH=(255)D。所以此时所以此时的温度为的温度为=682计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院如果传感器的输出信号与被测参数之间呈如果传感器的输出信号与被测参数之间呈非线性关系非线性关系时，应根据不同的非线性参数的变化规律各建立不同时，应根据不同的非线性参数的变化规律各建立不同的非线性变换式，但前提是它们的函数关系可用的非线性变换式，但前提是它们的函数关系可用解析解析式式来表示。来表示。例如，在例如，在差压法测流量差压法测流量中，中，流

24、量流量与与差压差压间的关系为间的关系为:(7-15)式中：式中：Q 流体流量流体流量；K 刻度系数刻度系数，与流体的性质及节流装，与流体的性质及节流装置的尺寸有关；置的尺寸有关；非线性变换非线性变换 P节流装置前后的差压节流装置前后的差压。计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院可见，流体的流量与被测流体流过节流装置前后产生的压力可见，流体的流量与被测流体流过节流装置前后产生的压力差的平方根成正比，于是得到测量流量时的标度变换公式为差的平方根成正比，于是得到测量流量时的标度变换公式为(7-16)式中

25、：式中：Q0 差压流量仪表的下限值；差压流量仪表的下限值；Qm 差压流量仪表的上限值；差压流量仪表的上限值；Qx 被测液体的流量测量值；被测液体的流量测量值；N0 差压流量仪表下限所对应的数字量；差压流量仪表下限所对应的数字量；Nm 差压流量仪表上限所对应的数字量；差压流量仪表上限所对应的数字量；Nx 差压流量仪表测得差压值所对应的数字量。差压流量仪表测得差压值所对应的数字量。计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院多项式变换多项式变换u有些传感器的输出信号与被测参数之间有些传感器的输出信号与被测参

26、数之间虽为非线性关系虽为非线性关系,但它们的函数关系无法但它们的函数关系无法用一个解析式来表示，或者解析式过于用一个解析式来表示，或者解析式过于复杂而难于直接计算。这时可以采用一复杂而难于直接计算。这时可以采用一种既计算简便又能满足实际工程要求的种既计算简便又能满足实际工程要求的近似表达式近似表达式插值多项式插值多项式来进行标度变来进行标度变换。换。计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院u插值多项式是用一个插值多项式是用一个n次多项式来代替某次多项式来代替某种非线性函数关系的方法。种非线性函数关系

27、的方法。u其插值原理是：被测参数其插值原理是：被测参数y与传感器的输与传感器的输出值出值x具有近似函数关系为具有近似函数关系为y=f(x)=anx+an-1x+a1x+a0 u已知：在已知：在n+1个相异点处的函数值为：个相异点处的函数值为：f(x0)=y0，f(x1)=y1，f(xn)=yn。便可以获得便可以获得n+1个一次方程组个一次方程组计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院anx0n+an-1 x0n-1+a1 x0+a0=y0anx1n+an-1 x1n-1+a1 x1+a0=y1 an

28、x2n+an-1 x2n-1+a1 x2+a0=y2 anxnn+an-1 xnn-1+a1 xn+a0=yn 式中式中x0，x1，xn是已知的传感器的输出值，是已知的传感器的输出值，y0，y1，yn是被测参数，可以求出是被测参数，可以求出n+1个待定系数个待定系数a0、a1、，an，从而构造成功一个可代替从而构造成功一个可代替f(x)这种这种函数关系的可插值多项式函数关系的可插值多项式Pn(x)。10 8.0000 26 6.0606 11 7.8431 27 5.9701 12 7.6923 28 5.8823 13 7.5471 29 5.7970 14 7.4074 30 5.7142

29、 15 7.2727 31 5.6337 16 7.1428 32 5.5554 17 7.0174 33 5.4793 18 6.8965 34 5.4053 19 6.7796 35 5.3332 20 6.6670 36 5.2630 21 6.5574 37 5.1946 22 6.4516 38 5.1281 23 6.3491 39 5.0631 24 6.2500 40 5.0000 25 6.1538例：例：热敏电阻热敏电阻测量温度。热敏电阻灵敏度高、价格低廉，但是测量温度。热敏电阻灵敏度高、价格低廉，但是热敏电阻的阻值与温度之间的关系是热敏电阻的阻值与温度之间的关系是非线性非

30、线性的，而且只能以的，而且只能以表表7-1的方式表示。现构造一个三阶多项式的方式表示。现构造一个三阶多项式P3(R)来逼近这种函来逼近这种函数关系。数关系。温度 t()阻值R(k)温度 t()阻值R(k)表表 7-1 热敏电阻的温度热敏电阻的温度-电阻特性电阻特性计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院取三阶多项式为取三阶多项式为 t=P3(R)=a3 R 3+a2 R 2+a1R 1+a0 并取并取t=10，17，27，39这这4点为点为插值点插值点，便可以得到以，便可以得到以下方程组：下方程组：

31、8.00003 a3+8.00002 a2+8.0000 a1+a0=10 7.01743 a3+7.01742 a2+7.0174 a1+a0=17 5.97013 a3+5.97012 a2+5.9701 a1+a0=27 5.06313 a3+5.06312 a2+5.0631 a1+a0=39计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术计算机控制技术山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院山东建筑大学机电学院解上述方程组，得解上述方程组，得 a3=0.2346989a2=6.120273 a1=59.28043a0=212.7118因此，所求的逼近多项式为因此，所求的逼近多项式为 t=0.2346989 R3 +6.120273 R2 59.28043 R 1+212.7118这就是用来标度变换的这就是用来标度变换的插值多项式插值多项式，将采样测得的电，将采样测得的电阻值阻值R代入上式，即可获得被测温度代入上式，即可获得被测温度t。