《微型計算機控制技術(shù)》于海生第6章.ppt

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1、第章 應(yīng)用程序設(shè)計與實現(xiàn)技術(shù) 6.1 程序設(shè)計技術(shù) 6.2 測量數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù) 6.3 數(shù)字控制器的工程實現(xiàn) 6.4 系統(tǒng)的有限字長數(shù)值問題 軟件是工業(yè)控制機的程序系統(tǒng)， 它可分為 系統(tǒng)軟件 和 應(yīng)用 軟件 。 所謂 應(yīng)用軟件 就是面向控制系統(tǒng)本身的程序，它是根據(jù)系 統(tǒng)的具體要求，由 用戶自己設(shè)計 的。 軟件設(shè)計的方法：利用 計算機語言 自己編制需要的應(yīng)用程 序；利用 組態(tài)軟件 。 6.1 程序設(shè)計技術(shù) 6.1.1 模塊化與結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計 6.1.2 面向過程與面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計 6.1.3 高級語言 I/O控制臺編程 6.1.1 模塊化與

2、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計 一個完整的程序設(shè)計過程可以用左圖來說明。 首先要分析用戶的要求，這大約占整個程序設(shè) 計工作量的 10%； 然后編寫程序的說明，這大約也占 10%； 接著進(jìn)行程序的設(shè)計與編碼，這大約占 30%左 右，其中設(shè)計與編碼幾乎各占 15%； 最后進(jìn)行測試和調(diào)試，這要花費整個程序設(shè)計 工作量的 40%以上。 1.模塊化程序設(shè)計 （ 1） 首先對最低層模塊進(jìn)行編碼、測試和調(diào)試。這些模塊 正常工作后，就可以用它們來開發(fā)較高層的模塊。這種方 法 是匯編語言設(shè)計常用的方法 。 （ 2 首先對最高層進(jìn)行編碼、測試和調(diào)試。為了測試這些 最高層模塊，可以用 “

3、 結(jié)點 ” 來代替還未編碼的較低層模 塊，這些 “ 結(jié)點 ” 的輸入和輸出滿足程序的說明部分要求， 但功能少得多。 該方法一般 適合用高級語言來設(shè)計程序 。 2.結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計 1966年， C.Bohm 和 G.Jacopini證明了 只用三種基本的控制 結(jié)構(gòu)就能實現(xiàn)任何單 入口單出口的程序。 這三種基本的控制結(jié) 構(gòu)是 “ 順序 ” 、 “ 選 擇 ” 、 “ 循環(huán) ” 。如 右圖所示。 6.1.2 面向過程與面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計 1.面向過程的程序設(shè)計及其局限性 過程式程序設(shè)計是面向功能的。首先要定義所要實現(xiàn)的功能， 然后設(shè)計為實現(xiàn)這些功能所要執(zhí)行的步驟。這些步驟就是

4、過程。 編寫代碼實際上等于分解這些步驟，使每一步直接對應(yīng)一行代碼。 這就是過程式編程中的 “ 逐步求精 ” 的過程。 這種方式不利于中大型軟件的開發(fā)與維護(hù)，小部分?jǐn)?shù)據(jù)或功能 的改變會涉及到很多的相關(guān)程序。 2.面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計 以上兩種方法在概念上存在以下主要區(qū)別： （ 1）模塊與對象 （ 2）過程調(diào)用和消息傳遞 （ 3）類型和類 （ 4）靜態(tài)鏈接和動態(tài)鏈接 6.1.3 高級語言 I/O控制臺編程 對于 PC總線工業(yè)控制機，我們以 Turbo C為例來說明其訪問 I/O端口 的編程。 Turbo C通常有庫函數(shù)，允許直接訪問 I/O端口，頭文件

5、conio.h 中定義了 I/O端口例程。 例如 ： a=inportw(0 x210) b=inportb(0 x220) 第一條指令表示將端口 210H的 16位二進(jìn)制數(shù) (一個字 )輸入給變量 a， 第二條指令表示將端口 220H的 8位二進(jìn)制數(shù) (一個字節(jié) )輸入給變量 b。在 C語言中， 0 x起頭的是 16進(jìn)制數(shù)。 又如： outportw(0 x230,0 x3435) outportb(0 x240,0 x26) 第一條指令表示將二字節(jié)數(shù) 3435H輸出到端口 230H中，第二條指令 表示將單字節(jié)數(shù) 26H輸出到端

6、口 240H中。 6.2 測量數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù) 6.2.1 誤差自動校準(zhǔn) 6.2.2 線性化處理和非線性補償 6.2.3 標(biāo)度變換方法 6.2.4 越限報警處理 6.2.5 量化誤差來源 6.2.6 A/D、 D/A及運算字長的選擇 傳感器把生產(chǎn)過程的信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后用 A D轉(zhuǎn)換 器把模擬信號變成數(shù)字信號，讀入計算機中。 對于這樣得到的數(shù)據(jù)，一般要進(jìn)行一些預(yù)處理，其中最基 本的處理有 線性化處理 、 標(biāo)度變換 和 誤差自動校準(zhǔn) 。 6.2.1 誤差自動校準(zhǔn) 系統(tǒng)誤差 定義： 是指在相同條件下，經(jīng)過多次測量，誤差的 數(shù)值 (包括大小符號 )保持恒

7、定，或按某種已知的規(guī)律變化的 誤差。 特點： 在一定的測量條件下，其變化規(guī)律是可以掌握的， 產(chǎn)生誤差的原因一般也是知道的。 方法： 偏移校準(zhǔn)在實際中應(yīng)用最多，并且常采用 程序 來 實現(xiàn)，稱為數(shù)字調(diào)零。 數(shù)字調(diào)零： 在測量時，先把多路輸入接到 所需測量 的一 組輸入電壓上進(jìn)行測量，測出這時的輸入值為 x1,然后把多路 開關(guān)的輸入接地，測出 零輸入 時 A D轉(zhuǎn)換器的輸出為 x0，用 x1 減去 x0即為實際輸入電壓 x。圖 6-3 除了數(shù)字調(diào)零外，還可以采用偏移和增益誤差的 自動校 準(zhǔn) 。 1.全自動校準(zhǔn) RVV )( 01 0 xx xx 采用這種方法測得的 V

8、與放大器的漂移和增益變化無關(guān)，與 V 和 R的精度也無關(guān)。這樣可大大提高測量精度，降低對電路器件 的要求。 先把 開關(guān)接地 ，測出這時的輸入值 x0，然后把開關(guān)接 基準(zhǔn) 電壓 VR，測出輸入值 x1，并存放 x1、 x0，在 正式測量 時，如測 出的輸入值為 x，則這時的 V可用下式計算 全自動校準(zhǔn)只適于基準(zhǔn)參數(shù)是 電信號 場合，并且不能校正由 傳感器 引入的誤差。為克服這種缺點，采用人工自動校準(zhǔn)。 自動校準(zhǔn)：自動測量基準(zhǔn)參數(shù)，計算誤差模型，獲得并存儲誤差補償因子 。 2.人工自動校準(zhǔn) 人工自動校準(zhǔn)只測一個 標(biāo)準(zhǔn)輸入信號 yR， 零信號的補 償由數(shù)字調(diào)零來完成 。

9、設(shè)數(shù)字調(diào)零后測出的數(shù)據(jù)分別為 xR(接校準(zhǔn)輸入 yR時 ) 和 x(接被測輸入 y時 )， 則可按下式來計算 y。 x x yy R R 如果在校準(zhǔn)時 ， 計算并存放 yR xR的值 ， 則測量 校準(zhǔn)時 ， 只需行一次乘法即可 。 有時也可用 yi代替 yR 人工自動校準(zhǔn)特別適于 傳感器特性 隨時間會發(fā)生 變化的場合 。 如常用的濕敏電容等濕度傳感器 。 6.2.2 線性化處理和非線性補償 1鉑熱電阻的阻值與溫度的關(guān)系 離線計算溫度與鉑 熱電阻阻值 對應(yīng)關(guān)系表即 分度表 ， 然后分段進(jìn)行線性化。 2熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系 與熱電阻方法相同。測量的參數(shù)為熱電偶的 熱電勢

10、 。 3孔板差壓與流量的關(guān)系 4氣體體積流量的非線性補償 PK F 01 10 0F PT PTF 6.2.2 線性化處理和非線性補償 過程控制作業(yè) P102第 30題 已知熱電偶的分度號為 K,工作時的冷端溫度為 30 ，測得 熱 電勢 以后， 錯用 E分度表查得工作端的溫度 715.2 ，試求 工作端實際溫度是多少？ 解：首先求出工作端溫度 相對 0 冷端的 熱電勢的值，設(shè)該 值為 X，按 E分度表 ，可列出方程： mVEtE EEEmVtE 53.52)30,t,801.1)30,(33.54 )0,30()30,t0,t,33.540 （求得 （）（又由于），

11、（即： ）（求得 mVXX 33.54,10907.53703.54 907.537102.715 mVC 53.5230 o 時測得的熱電勢為即熱電偶在冷端溫度為 Co9.133710 451.53795.53 451.53733.531330 53.7331.20352.53E ( 30,0)E ( t ,30)t ,0)(E 再通過查 K型 熱電偶分度表 ,可求得工作端實際溫度 t 6.2.3 標(biāo)度變換方法 在工業(yè)測控系統(tǒng)中，如，壓力的單位為 Pa，流量的單位 為 m3 h，溫度的單位為 等，這些參數(shù)經(jīng)傳感器和 A D轉(zhuǎn) 換后得到一系列的數(shù)碼，這些數(shù)碼值并不一定等于原來

12、帶有 量綱的參數(shù)值，它僅僅對應(yīng)于參數(shù)值的大小，故必須把它 轉(zhuǎn) 換成帶有量綱的工程值 后才能運算、顯示或打印輸出，這種 轉(zhuǎn)換就是 標(biāo)度變換 。 標(biāo)度變換有各種類型，它取決于被測參數(shù)的傳感器的類 型，應(yīng)根據(jù)實際要求來選用適當(dāng)?shù)臉?biāo)度變換方法。 1線性變換公式 2公式轉(zhuǎn)換法 3其它標(biāo)度變換法 1.線性變換公式（ 前提 ：參數(shù)值與 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果為 線性關(guān)系） Y=(Ymax-Ymin)(X-Nmin) (Nmax-Nmin)+Ymin Y表示參數(shù)測量值 ， Ymax表示參數(shù)量程最大值 ， Ymin 表示參數(shù)量程最小值 ， Nmax

13、表示 Ymax對應(yīng)的 A D轉(zhuǎn)換后 的輸入值 ， Nmin表示量程起點 Ymin對應(yīng)的 A D轉(zhuǎn)換后的 輸入值 ， X表示測量值 Y對應(yīng)的 A D轉(zhuǎn)換值 。 X Y （ Nmin ,Ymin） （ Nmax ,Ymax ） （ X， Y） 例： P218 第 2題 某熱處理爐溫度變化范圍為 0 -1350 ， 經(jīng)溫度變送 器變換為 1-5V電壓送至 ADC0809， ADC0809的輸入范圍 為 0-5V。當(dāng) t=某值時， ADC0809的轉(zhuǎn)換結(jié)果為 6AH，問 此時爐內(nèi)溫度 t=? 解法一： C HAH HFFH tYNX NN YY 0 m i nm i n m i nm

14、a x m i nm a x 97.363 )33(51)6(106 )33(51)(255 01350)(y 解法二： )(0 1 96.0 255 5 12 05q0 8 098 8 VAD 量化單位位 V0776.20196.0106 106DB1 1 0 1 0 1 00AH6 壓信號為：經(jīng)溫度變送器送來的電 CXXXX o69.3630776.1413501-0776.2 0-1-5 0-1350 ，求得度，則可列方程：設(shè)爐溫為 過程控制 作業(yè) P101第 13題 有一臺 DDZ- 型兩線制差壓變送器，已知其量程為 20-100kPa，當(dāng)輸入信號為 40k

15、Pa和 70kPa時，變送器 的輸出信號分別是多少？ 解： DDZ- 型差壓變送器輸出信號： 4-20mA，由于 電流信號與測量信號呈線性關(guān)系，當(dāng)輸入信號為 40kPa時，設(shè)變送器輸出信號為 X，可列出方程： mAXX 8,2040 420100 420 求得 當(dāng)輸入信號為 70kPa時，可列出方程： mAXX 14,2070 4201 00 420 求得 1.線性變換公式 Y=(Ymax-Ymin)(X-Nmin) (Nmax-Nmin)+Ymin Y表示參數(shù)測量值 ， Ymax表示參數(shù)量程最大值 ， Ymin表示 參數(shù)量程最小值 ， Nmax表示 Ymax對應(yīng)的

16、 A D轉(zhuǎn)換后的輸入值 ， Nmin表示量程起點 Ymin對應(yīng)的 A D轉(zhuǎn)換后的輸入值 ， X表示測 量值 Y對應(yīng)的 A D轉(zhuǎn)換值 。 2.公式轉(zhuǎn)換法（ 非線性場合 ） 可采用直接按解析式來計算。 3.其它標(biāo)度變換法（ 非線性場合 ） 可采用多項式插值法，也可以用線性插值法或查表進(jìn)行 標(biāo)度變換。 6.2.4 越限報警處理 越限報警是工業(yè)控制過程常見而又實用的一種報警形式 ， 它分為 上限報警 、 下限報警 及 上下限報警 。 如果需要判斷的報 警參數(shù)是 xn， 該參數(shù)的上下限約束值分別是 xmax和 xmin， 則上下 (1) 若 xn xmax

17、， 則上限報警 ， 否則繼續(xù)執(zhí)行原定操作 。 (2) 若 xn xmin， 則下限報警 ， 否則繼續(xù)執(zhí)行原定操作 。 (3) 若 xn xmax， 則上限報警 ， xn xmin否 ?若是則下限報警 ， 否則繼續(xù)原定操作 。 根據(jù)上述規(guī)定，程序可以實現(xiàn)對被控參數(shù) y、偏差 e以及控 制量 u進(jìn)行上下限檢查。 所謂量化，就是采用一組數(shù)碼 (如二進(jìn)制碼 )來逼近離 散模擬信號的幅值，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。將采樣信號 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程稱為量化過程，執(zhí)行量化動作的 裝臵是 A/D轉(zhuǎn)換器。 2、量化 6.2.5 量化誤差來源 量化單位 12 m i

18、nm a x n yyq 量化單位：字長為 n的 A/D轉(zhuǎn)換器把 一定范圍內(nèi) 變化的 采樣信號變換為數(shù)字 0 2n-1,其 最低有效位 （ LSB）所 對應(yīng)的 模擬量 q稱為量化單位。 量化過程實際上是一個用 q去度量采樣值幅值高低的小 數(shù)歸整過程。如同單位一樣。 由于量化過程是小數(shù)歸整過程，因而存在量化誤差， 量化誤差 （ 1/2） q，在 A/D轉(zhuǎn)換器的字長足夠長，整量化誤差足夠小。 例：設(shè)模擬電壓為 0 5V，分別采用 8位和 12位的 A/D轉(zhuǎn)換器， 則可表示的最小單位 q分別是： )(2210.112500012)(6078.1912500012 12m i nm

19、a x28m i nm a x1 mVyyqmVyyq nn 1.量化誤差 通過 A D轉(zhuǎn)換可計算出模擬電壓 x相當(dāng)于多少個整量化 單位，即 : x=Lq+ ,式中 L為整數(shù)， 對于余數(shù) ( q)可以用 截尾或舍入 來處理 。 所謂 截尾 就是舍掉數(shù)值中小于 q的余數(shù) ( q)， 其 截尾誤差 t為： t=xt-x， 式中 x為實際數(shù)值 ， xt為截尾后 的數(shù)值 。 顯然 -q t 0。 所謂 舍入 是指 ， 當(dāng)被舍掉的余數(shù) 大于或等于 量化單 位的 一半 時 ， 則最小有效位 加 1；而當(dāng)余數(shù) 小于量化單位 的 一半 時 ， 則舍掉

20、 。 這時舍入誤差為 r=xr-x， 式中 x為 實際數(shù)值 ， xr舍入后的數(shù)值 。 顯然 ， -q/2 rq/ 2。 2.量化誤差來源 從下圖可以看出，產(chǎn)生量化誤差的原因主要有以下 幾個方面： (1)A/D轉(zhuǎn)換的量化效應(yīng) (2)控制規(guī)律計算中的量化效應(yīng)。 (3)控制參數(shù)的量化效應(yīng) (4)D/A轉(zhuǎn)換的量化效應(yīng) -q t0 -q/2rq/2 6.2.6 A/D、 D/A及運算字長的選擇 1.A/D轉(zhuǎn)換器的字長選擇 2.D/A轉(zhuǎn)換器的字長選擇 3.運算的字長選擇 1 . A / D 轉(zhuǎn) 換 器 的 字 長 選 擇 為把量化誤差限

21、制在所允許的范圍內(nèi)，應(yīng)使 A/D轉(zhuǎn)換 器有 足夠的字長 。確定字長要考慮的因素是：輸入信號 x 的動態(tài)范圍和分辨率。 (1)輸入信號的動態(tài)范圍 設(shè) n為 A/D轉(zhuǎn)換器字長， 為轉(zhuǎn)換當(dāng)量（ 相當(dāng)于量化單 位 ） ，若已知輸入信號的最大值和最小值之差，則可列 出方程： )1(lo g m i nm a x2 xx n )12(m i nm a x nxx 則 A/D字長 n為： 1.A/D轉(zhuǎn)換器的字長選擇 )1(lo g m i nm a x2 xxn 9687.8501lo g)5001(lo g)3 015001(lo g 222 n 某爐溫度變化范圍 0-

22、1500 ，要求 分辨率 為 3 ，溫度變送器 輸出范圍為 0-5V若 A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍也為 0-5V，則求 A/D轉(zhuǎn) 換器字長應(yīng)為多少？若 A/D轉(zhuǎn)換器字長不變，現(xiàn)通過變送器零 點遷移而將信號零點遷移到 600 ，此時系統(tǒng)對爐溫的分辨率 為多少？ 解：由公式： 96 87.8501log)5001(log) 100 1 05 1(log /100/1 3 15 00 /0-5/ 222 n bi tVbi tV ）（，單位為假設(shè) 得 或 所以 A/D轉(zhuǎn)換器字長應(yīng)為 10位。 1.A/D轉(zhuǎn)換器的字長選擇 為把量化誤差限制在所允許的范圍內(nèi)，應(yīng)使 A/D轉(zhuǎn) 換器有

23、足夠的字長 。確定字長要考慮的因素是：輸入信 號 x的動態(tài)范圍和分辨率。 (2)分辨率 65.7)005.0 11(lo g)11(lo g 221 Dn )11(2 D lo gn 分辨率 ：反映 A/D轉(zhuǎn)換器對輸入量微小變化響應(yīng)的分辨能 力，即指能使 轉(zhuǎn)換后數(shù)字量變化 1的 最小模擬輸入量 。 本書對分辨率定義： 沒有單位的注意該分辨率的定義是,12 1 nD 若已知分辨率，則字長： 書上例題：溫度測量范圍 0-200 ，要求分辨率為： 0.005， 求 A/D轉(zhuǎn)換器字長： 2.D/A轉(zhuǎn)換器的字長選擇 )1(l o g m i nm a x21 uu n um

24、ax umin為執(zhí)行機構(gòu)的最小輸入值 為執(zhí)行機構(gòu)的靈敏度 某執(zhí)行機構(gòu)的輸入變化范圍為 4-20mA， 靈敏度為 0.05mA，應(yīng)選 D/A轉(zhuǎn)換器的字長是多少？ 83 2 1lo g)05.0 161(lo g)1(lo g 22m i nm a x2 uun 因此：取 A/D轉(zhuǎn)換器字長為 10位。 6.3 數(shù)字控制器的工程實現(xiàn) 6.3.1 給定值和被控量處理 6.3.2 偏差處理 6.3.3 控制算法的實現(xiàn) 6.3.4 控制量處理 6.3.5 自動 /手動切換技術(shù) 數(shù)字控制器算法的工程實現(xiàn)中，應(yīng)注意的問題，由以下五 部分給出 : 6.3.1

25、 給定值和被控量處理 1.給定值處理 給定值處理包括選擇 給定值 SV和給定值變化率限制 SR兩部分。 通過選擇軟開關(guān) CL CR，可以構(gòu)成內(nèi)給定狀態(tài)或外給定狀態(tài)；通 過選擇軟開關(guān) CAS SCC，可以構(gòu)成串級控制或 SCC控制。 (1) 當(dāng)軟開關(guān) CL CR切向 CL位臵時 ， 選擇操作員設(shè)臵的給定值 SVL。 這 時系統(tǒng)處于單回路控制的內(nèi)給定狀態(tài) ， 利用給定值鍵可以改變給定值 。 (2) 當(dāng)軟開關(guān) CL CR切向 CR位臵時 ， 給定值來自上位計算機 、 主 回路或運算模塊 。 這時系統(tǒng)處于外給定狀態(tài) 。 在此狀態(tài)下 ， 可以 實現(xiàn)

26、以下兩種控制方式 。 SCC控制 :當(dāng)軟開關(guān) CAS SCC切向 SCC位臵時 ， 接收來自上 位計算機的給定值 SVS， 以便實現(xiàn)二級計算機控制 。 串級控制 :當(dāng)軟開關(guān) CAS SCC切向 CAS位臵時 ， 給定值 SVS 來自主調(diào)節(jié)模塊 ， 實現(xiàn)串級控制 。 (3)給定值變化率限制 為了減少給定值突變對控制系統(tǒng)的擾動 ， 防止比例 、 積分飽 和 ， 以實現(xiàn)平穩(wěn)控制 ， 需要對給定值的變化率 SR加以限制 。 變化 率的選取要適中 ， 過小會使響應(yīng)變慢 ， 過大則達(dá)不到限制的目的 。 綜上所述 ， 在給定值處理中 ， 共具有三個輸入量 (SVL， SV

27、C， SVS)， 兩個輸出量 (SV， CSV)， 兩個開關(guān)量 (CL CR， CAS SCC)， 一個變化率 (SR)。 為了便于 PID控制程序調(diào)用這些量 ， 需要給每 個 PID控制模塊提供一段內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū) ， 來存儲以上變量 。 2.被控量處理 為了安全運行 ， 需要對 被控量 PV進(jìn)行上下限報警處理 ,即 : 當(dāng) PV PH(上限值 )時 ， 則上限報警狀態(tài) (PHA)為 “ 1” 當(dāng) PV PL(下限值 )時 ， 則下限報警狀態(tài) (PLA)為 “ 1”。 當(dāng)出現(xiàn)上 、 下限報警狀態(tài) (PHA， PLA)時 ， 它們通過驅(qū)動電路發(fā)出聲或光 ， 以便提

28、醒操作員注意 。 為了不使 PHA PLA的狀態(tài)頻繁改變 ， 可以設(shè)臵一定的 報警死區(qū) (HY)。 為了實現(xiàn)平穩(wěn)控制 ， 需要對參與控制的被控量的變化率 PR加以限制 。 變 化率的選取要適中 ， 過小會使響應(yīng)變慢 ， 過大則達(dá)不到限制的目的 。 被控量處理數(shù)據(jù)區(qū)存放一個輸入量 PV， 三個輸出量 PHA、 PLA和 CPV， 四個 參數(shù) PH、 PL、 HY和 PR。 6.3.2 偏差處理 偏差處理分為計算偏差、偏差報警、非線性特性和輸入補償四部 分，如下圖所示。 1計算偏差：根據(jù)正反作用方式 (D R)計算偏差 DV， 當(dāng) D

29、 R=0，代表正作用，此時偏差 DV=CPV-CSV 當(dāng) D R=1，代表反作用，此時偏差 DV=CSV-CPV； 2偏差報警 ： 對于控制要求較高的對象，不僅要設(shè)臵被控制量 PV的上、下限報 警，而且要設(shè)臵偏差報警。 當(dāng)偏差絕對值 |DV| DL時，則偏差報警狀態(tài) DLA為 “ 1”。 3輸入補償 根據(jù)輸入補償方式 ICM狀態(tài)，決定偏差 DVC與輸入補償量 ICV之間 當(dāng) ICM=0，代表無補償，此時 CDV=DVC 當(dāng) ICM=1，代表加補償，此時 CDV=DVC+ICV; 當(dāng) ICM=2，代表減補償，此時 CDV=DVC-ICV;

30、 當(dāng) ICM=3，代表臵換補償，此時 CDV=ICV 利用加、減輸入補償，可以分別實現(xiàn)前饋控制和純滯后補償 (Smith) 4非線性特性 為了實現(xiàn)非線性 PID控制或帶死區(qū)的 PID控制，設(shè)臵了非線性區(qū) - A至 +A和非線性增益 K 當(dāng) K=0時，則為帶死區(qū)的 PID 當(dāng) 0 K 1時，則為非線性 PID 當(dāng) K=1時，則為正常的 PID 偏差處理數(shù)據(jù)區(qū)共存放一個輸入補償量 ICV，兩個輸出量 DLA和 CDV，兩個狀態(tài)量 D R 和 ICM，以及四個參數(shù) DL、 -A、 +A和 K 6.3.3 控制算法的實現(xiàn) 在自動狀態(tài)下 ， 需要進(jìn)行控

31、制計算 ， 即按照各種控制算法的差分方 程 ， 計算控制量 U， 并進(jìn)行上 、 下限限幅處理 。 以 PID控制算法為例 ， 當(dāng)軟開關(guān) DV PV切向 DV位臵時 ， 則選用偏差微 分方式；當(dāng)軟開關(guān) DV PV切向 PV位臵時 ， 則選用測量 (即被控量 )微分方 式 。 在 PID計算數(shù)據(jù)區(qū)，不僅要存放 PID參數(shù) (KP或 ， TI， TD)和采控制周 期 T，還要存放微分方式 DV PV、積分分離值 ，控制量上限限值 MH和下 限限值 ML，以及控制量 UK。為了進(jìn)行遞推運算，還應(yīng)保存歷史數(shù)據(jù)，如 e(k-1)、 e(k-2)和 u(k-1)。 6.3.

32、4 控制量處理 在輸出控制量 UK以前，還應(yīng)經(jīng)過各項處理和判斷，以便擴展控制功 能，實現(xiàn)安全平穩(wěn)操作。 1輸出補償： 根據(jù)輸出補償方式 OCM的狀態(tài)，決定控制量 UK與輸出 補償量 OCV之間的關(guān)系，即 ： 當(dāng) OCM=0,代表無補償，此時 Uc=Uk 當(dāng) OCM=1,代表加補償 ， 此時 Uc=Uk+OCV 當(dāng) OCM=2,代表減補償 ， 此時 Uc=Uk-OCV; 當(dāng) OVM=3， 代表臵換補償 ， 此時 Uc=OCV. 利用輸出和輸入補償 ， 可以擴大實際應(yīng)用范圍 ， 靈活組成復(fù)雜的數(shù) 字控制器 ， 以便組成復(fù)雜的自動控制系統(tǒng) 。 2 變化

33、率限制：為了實現(xiàn)平穩(wěn)操作 ， 需要對控制量的變 化率 MR加以限制 。 變化率的選取要適中 ， 過小會使操作緩慢 ， 過大則達(dá)不到限制的目的 。 3 輸出保持：當(dāng)軟開關(guān) FH NH切向 NH位臵時 ， 現(xiàn)時刻的 控制量 u(k)等于前一時刻的控制量 u(k-1)， 也就是說 ， 輸出控 制量保持不變 。 當(dāng)軟開關(guān) FH NH切向 FH位臵時 ， 又恢復(fù)正常輸 出方式 。 軟開關(guān) FH NH狀態(tài)一般來自系統(tǒng)安全報警開關(guān) 。 4 安全輸出：當(dāng)軟開關(guān) FS NS切向 NS位臵時 ， 現(xiàn)時刻的 控制量等于預(yù)臵的安全輸出量 MS。 當(dāng)軟開關(guān) FS NS切向 FS位臵 時 ， 又恢復(fù)正常輸出方

34、式 。 軟開關(guān) FS NS狀態(tài)一般來自系統(tǒng)安 全報警開關(guān) 。 控制量處理數(shù)據(jù)區(qū)需要存放輸出補償量 OCV和補償方式 OCM， 變化率限制值 MR，軟開關(guān) FH NH和 FS NS，安全輸出量 MS，以 及控制量 CMV。 6.3.5 自動手動切換技術(shù) 在正常運行時，系統(tǒng)處于自動狀態(tài)；而在調(diào)試階段或出現(xiàn)故障時， 系統(tǒng)處于手動狀態(tài)。下圖為自動 /手動切換處理框圖。 1.軟自動 軟手動 當(dāng)軟開關(guān) SA SM切向 SA位臵時 ， 系統(tǒng)處于正常的自動狀態(tài) ， 稱為軟 自動 (SA)；反之 ， 切向 SM位臵時 ， 控制量來自操作鍵盤或上位計算機 ， 此時系統(tǒng)處于計算機手動狀態(tài)

35、， 稱為軟手動 (SM)。 一般在調(diào)試階段 ， 采 用軟手動 (SM)方式 。 2.控制量限幅 為了保證執(zhí)行機構(gòu)工作在有效范圍內(nèi) ， 需要對控制量 Us進(jìn)行 上 、 下限限幅處理 ， 使得 MLMVMH ， 再經(jīng) D A轉(zhuǎn)換器輸出 0 10mADC或 4 20mADC。 3.自動 手動 對于一般的計算機控制系統(tǒng) ， 可采用手動操作器作為計算 機的后備操作 。 當(dāng)切換開關(guān)處于 HA位臵時 ， 控制量 MV通過 D A 輸出 ， 此時系統(tǒng)處于正常的計算機控制方式 ， 稱為自動狀態(tài) (HA 狀態(tài) )；反之 ， 若切向 HM位臵 ， 則計算機不再承擔(dān)控制任務(wù) ， 由 運行人員通過手動

36、操作器輸出 0 10mADC或 4 20mADC信號 ， 對 執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)方操作 ， 這稱為手動狀態(tài) (HM狀態(tài) )。 4.無平衡無擾動切換 所謂 無平衡無擾動切換 ，是指在進(jìn)行手動到自動或 自動到手動的切換之前， 無須由人工進(jìn)行 手動輸出控制 信號與自動輸出控制信號之間的 對位平衡操作 ，就可以 保證切換時不會對執(zhí)行機構(gòu)的現(xiàn)有位臵產(chǎn)生擾動。 （ 1）從手動到自動的無平衡操作無擾動切換 （ 2）從自動 (SA與 HA)切向軟手動 (SM)時的無擾動切 換。 （ 3）從輸出保持狀態(tài)或安全輸出狀態(tài)切向正常的自 自動手動切換數(shù)據(jù)區(qū)需要存放軟手動控制量 SMV，軟 開

37、關(guān) SA SM狀態(tài)，控制量上限限值 (MH)和下限限值 (ML)， 控制量 MV，切換開關(guān) HA HM狀態(tài)，以及手動操作器輸出 VM。 以上討論了 PID控制程序的各部分功能及相應(yīng)的數(shù) 據(jù)區(qū) 。 完整的 PID控制模塊數(shù)據(jù)區(qū)除了上述各部分外 ， 還有被控量量程上限 RH和量程下限 RL， 工程單位代碼 、 采樣 (控制 )周期等 。 該數(shù)據(jù)區(qū)是 PID控制模塊存在的標(biāo) 志 ， 可把它看作是數(shù)字 PID控制器的實體 。 只有正確地 填寫 PID數(shù)據(jù)區(qū)后 ， 才能實現(xiàn) PID控制系統(tǒng) 。 采用上述數(shù)字控制器 ， 不僅可以組成單回路控制系 統(tǒng) ， 而且可以組成串級 、 前饋 、 純滯后補

38、償 (Smith)等 復(fù)雜控制系統(tǒng) ， 對于后面兩種系統(tǒng)還應(yīng)增加補償器運算 模塊 。 利用該控制模塊和各種功能運算模塊的組合 ， 可 以組成各種控制系統(tǒng)來滿足生產(chǎn)過程控制的要求 。 6.4 軟件抗干擾技術(shù) 1.測控系統(tǒng)軟件的基本要求 （ 1）易理解、易維護(hù) 指軟件系統(tǒng)容易閱讀和理解，容易發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤，容 易修改和補充。 （ 2）實時性 要求系統(tǒng)及時響應(yīng)外部事件的發(fā)生，并及時給出處理結(jié) 果。 （ 3）可測試性 兩方面含義：其一是比較容易制定出測試準(zhǔn)則，并根據(jù)這 些準(zhǔn)則對軟件進(jìn)行測試；其二軟件設(shè)計完成后，首先在模擬環(huán) 境下運行，經(jīng)過靜態(tài)分析和動態(tài)仿真運行，證明正確無誤

39、后才 可投入實際運行。 （ 4）準(zhǔn)確性 算法選擇、位數(shù)選擇等要符合要求。 （ 5）可靠性 最重要的指標(biāo)之一，兩方面含義：第一是運行 參數(shù)環(huán)境發(fā)生變化時，軟件能可靠運行并給出準(zhǔn)確 結(jié)果，即軟件應(yīng)具有自適應(yīng)性；第二是工業(yè)環(huán)境極 其惡劣，干擾嚴(yán)重，軟件必須保證在嚴(yán)重干擾條件 下也能可靠運行。 2.軟件抗干擾研究的 主要內(nèi)容 (1) 采用軟件的方法 抑制疊加 在輸入輸出信號上 噪聲影 響 ，如模擬輸入信號的數(shù)字濾波技術(shù)； (2) 由于干擾而使程序發(fā)生混亂，導(dǎo)致程序亂飛或陷入 死循環(huán)，采取 使程序納入正規(guī) 的措施，如指令冗余、軟件陷 阱、 “ 看門狗 ” 技術(shù)等； (3) 發(fā)

40、現(xiàn)程序失控后，解決 系統(tǒng)恢復(fù)正常運行 的方法， 如重要信息的恢復(fù)，系統(tǒng)重入的條件等； (3) 數(shù)字濾波器可以根據(jù)信號的不同 ， 采用 不同的濾 波方法 或濾波參數(shù) ， 具有靈活 、 方便 、 功能強的特點 。 6.4.1 數(shù)字濾波技術(shù) 所謂 數(shù)字濾波 ，就是通過一定的計算或判斷程序減少干 擾在有用信號中的比重。故實質(zhì)上它是一種 程序濾波 。 與模擬濾波器相比，有以下幾個 優(yōu)點 : (1) 數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的， 不需要增加硬設(shè)備 ， (2) 數(shù)字濾波可以 對頻率很低 (如 0 01HZ)的信號實 現(xiàn) 濾波 ，克服了模擬濾波器的缺陷。 主要數(shù)字濾波算法：算術(shù)平均值

41、法、中位值濾波法、限 幅濾波法、慣性濾波法 1.算術(shù)平均值法 第術(shù)平均值法是對輸入的 N個采樣數(shù)據(jù) xi(i=1 N)，尋找 這樣一個 y，使 y與 各采樣值間的偏差的平方和為最小 N i iE 1 2)(m in xy N i iN 1 1 xy 例：某壓力儀表采樣數(shù)據(jù)如下： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 24 25 20 27 24 60 24 25 26 23 序 號 采樣值 采樣數(shù)據(jù)明顯存在 被干擾 現(xiàn)象（彩色數(shù)據(jù)）。 采用算術(shù)平均值濾波后，其采樣值為： Y=(24+25+20+27+24+60+24+25+ 26+

42、23)/10=28 干擾被平均到采樣值中去了 3） 平均值濾波法一般適用于具有周期性干擾噪聲的信號， 但對偶然出現(xiàn)的脈沖干擾信號，濾波效果尚不理想。 特點： 1） N值決定了信號平滑度和靈敏度。隨著 N的增大，平滑度 提高，靈敏度降低。應(yīng)該視具體情況選擇 N，以便得到滿意 的濾波效果。 2） 對每次采樣值給出相同的加權(quán)系數(shù)，即 1/N。在不同采 樣時刻采集數(shù)據(jù)受到同樣重視。實際上某些場合需要增加新 采樣值在平均值中的比重，可采用 加權(quán)平均值濾波法 。濾波 公式為： Y=R0Y0+ R1Y1+ R2Y2++ RmYm。 2.中位值濾波法

43、中位值濾波法的原理是對被測參數(shù)連續(xù)采樣 m次 (m3) 且 是 奇數(shù) ，并按大小順序排列；再 取中間值 作為本次采樣的有 效數(shù)據(jù)。 特點 :中位值濾波法對脈沖干擾信號等 偶然因素引發(fā)的 干擾有良好的濾波效果 。如對溫度、液位等變化緩慢的被 測參數(shù)采用此法會收到良好的濾波效果；對流量、速度等 快速變化的參數(shù)一般不宜采用中位值濾波法 中位值濾波法和平均值濾波法結(jié)合起來使用，濾波效 果會更好。即在每個采樣周期，先用中位值濾波法得到 m 個濾波值，再對這 m個濾波值進(jìn)行算術(shù)平均，得到可用的 被測參數(shù)。也稱為 去脈沖干擾平均值濾波法 . 1 2 3 4 5 6 7 8 9 24 25 2

44、0 27 24 60 24 25 26 例：某壓力儀表采樣數(shù)據(jù)如下： 序 號 采樣值 采樣數(shù)據(jù)明顯存在 被干擾 現(xiàn)象（彩色數(shù)據(jù)）。 采用去脈沖干擾平均值濾波后，其采樣值為： 25 對 1、 2、 3次采樣中位值濾波后值： 24 對 4、 5、 6次采樣中位值濾波后值： 27 對 7、 8、 9次采樣中位值濾波后值： 25 3.限幅濾波法 由于大的隨機干擾或采樣器的不穩(wěn)定 ， 使得采樣數(shù)據(jù) 偏離實際值太遠(yuǎn) ， 為此 采用上 、 下限限幅 ， 當(dāng) y(n)y H時 ， 則取 y(n)=yH(上限值 ) 當(dāng) y(n)y L時 ， 則取 y(n)=yL(下限值 )

45、 當(dāng) yL y(n) yH時 ， 則取 y(n)。 而且采用限速 (亦稱 限制變化率 )， 當(dāng) |y(n)-y(n-1)|y 0時 ， 則取 y(n); 當(dāng) |y(n)-y(n-1)| y 0時 ， 則取 y(n)=y(n-1)。 其中 y 0為兩次相鄰采樣值之差的可能最大變化量 。 y 0 值的選取 ， 取決于采樣周期 T及被測參數(shù) y應(yīng)有的正常變化 率 。 因此 ， 一定要按照實際情況來確定 y 0、 yH及 yL， 否則 ， 非但達(dá)不到濾波效果 ， 反而會降低控制品質(zhì) 。 4.慣性濾波法 RC 其 中 Tf=

46、RC,它的濾波效果取決于濾波時間常數(shù) Tf。因此， RC濾波器不可 能對極低頻率的信號進(jìn)行濾波。為此，人們模仿上式做成一階慣性 濾波器亦稱低通濾波器。 其中， 稱為濾波系數(shù)，且 0 1， Ts為采樣周期， Tf為濾波器時 根據(jù)慣性濾波器的頻率特性，若濾波系數(shù) 越大，則帶寬越窄 ，濾波頻率也越低。因此，需要根據(jù)實際情況，適當(dāng)選取 值，使 得被測參數(shù)既不出現(xiàn)明顯的紋波，反應(yīng)又不太遲緩。 sTsx sy f 1 1 )( )( )()()1()( nxnyT nynyT s f )1()

47、()1()1()()( nynxnyTT TnxTT Tny sf f sf s 6.4.2 開關(guān)量的軟件抗干擾技術(shù) 2.開關(guān)量 (數(shù)字量 )信號 輸出 抗干擾措施 在軟件上，最為有效的方法就是 重復(fù)輸出同一個數(shù)據(jù) 。只 要有可能，其重復(fù)周期盡可能短些。 輸出設(shè)備是電位控制型還是同步鎖存型，對干擾的敏感性 相差較大。前者有良好的抗 “ 毛刺 ” 干擾能力，后者不耐干擾， 當(dāng)鎖存線上出現(xiàn)干擾時，它就會盲目鎖存當(dāng)前的數(shù)據(jù)，也不管 此時數(shù)據(jù)是否有效。 1.開關(guān)量 (數(shù)字量 )信號 輸入 抗干擾措施 干擾信號多呈毛刺狀，作用時間短，利用這一特點，我們 在采集某一開關(guān)量信號時

48、，可 多次重復(fù)采集 ，直到連續(xù)兩次或 兩次以上 結(jié)果完全一致 方為有效。 6.4.3 指令冗余技術(shù) CPU受干擾后，往往將操作數(shù)當(dāng)作操作碼執(zhí)行，造成程序混亂。 當(dāng)程序彈飛到一單字節(jié)指令上時，便自動納入正軌； 當(dāng)程序彈飛到一雙字節(jié)指令上時（操作碼、操作數(shù)），有 可能落到操作數(shù)上，從而繼續(xù)出錯； 當(dāng)程序彈飛到一三字節(jié)指令上時（操作碼、操作數(shù)、操 作數(shù)），因其有兩個操作數(shù)，從而繼續(xù)出錯機會更大 。 應(yīng)多采用單字節(jié)指令，并在關(guān)鍵地方人為插入一些單字 節(jié)指令，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重復(fù)書寫，提高彈飛程序納入 正軌的機會，這便是指令冗余。 實現(xiàn)方法 ： 在一些對程序流向起決定作用

49、的 指令之前 插入兩條 NOP指令， 以保證彈飛的程序迅速納入正確的控制軌道。這些指令有： RET、 RETI、 LCALL、 LJMP、 JZ/JNZ、 JC/JNC、 JB/JNB、 JBC、 CJNE、 DJNZ等。 如：利用減法比較兩無符號數(shù)的大小程序（數(shù)放 A、 B中）： 無指令冗余程序 ： CLR C SUBB A,B JC BBIG BBIG:NOP .. 有指令冗余的情況： CLR C SUBB A,B NOP NOP JC BBIG BBIG:NOP .. 指令冗余缺點： 降低指令執(zhí)行效率 指令冗余特點 ： 1.降低正常程

50、序執(zhí)行的效率； 2.可以減少程序彈飛的次數(shù)，使其很快納入程序軌道，使 CPU按“操作碼、操作數(shù)”方式運行，但不能保證失控期 間不干壞事，更不能保證程序納入正常軌道后太平無事。 因為彈飛的程序已經(jīng)偏離正常順序，做了不該做的事。解 決這個問題還要靠軟件容錯技術(shù)，減少或消滅程序誤動作。 3.指令冗余使彈飛程序安定下來是有條件的，首先彈飛的 程序要落到程序區(qū)，其次必須執(zhí)行到冗余的指令。 當(dāng)程序彈飛到非程序區(qū)時，或彈飛的程序碰到冗余指令 前已形成死循環(huán)，都會使冗余指令失去作用。 6.4.4 軟件陷阱技術(shù) 所謂軟件陷阱 ，就是一條引導(dǎo)指令，強行將撲獲的程 序引向一個指定的地址，在那里有一段專門對程序出錯 進(jìn)行處理的程序。 軟件陷阱由三條指令構(gòu)成： NOP NOP LJMP ERR ;ERR錯誤處理程序入口 軟件陷阱安排在下列四種地方： 1）未使用的中斷向量區(qū) 2）未使用的大片 ROM區(qū) 3）表格區(qū)尾部 4）程序區(qū) 本章節(jié)課程到此結(jié)束！