1、第章 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù) 6.1 程序設(shè)計(jì)技術(shù) 6.2 測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù) 6.3 數(shù)字控制器的工程實(shí)現(xiàn) 6.4 系統(tǒng)的有限字長(zhǎng)數(shù)值問(wèn)題 軟件是工業(yè)控制機(jī)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(hù)自己設(shè)計(jì)的。 軟件設(shè)計(jì)的方法：利用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言自己編制需要的應(yīng)用程序；利用組態(tài)軟件。 第章 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù) 6.1 程序設(shè)計(jì)技術(shù)6.1 程序設(shè)計(jì)技術(shù) 6.1.1 模塊化與結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì) 6.1.2 面向過(guò)程與面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì) 6.1.3 高級(jí)語(yǔ)言I/O控制臺(tái)編程 6.1 程序設(shè)計(jì)技術(shù) 6.1.1 模塊化與結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)6

2、.1.1 模塊化與結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)一個(gè)完整的程序設(shè)計(jì)過(guò)程可以用左圖來(lái)說(shuō)明。 首先要分析用戶(hù)的要求，這大約占整個(gè)程序設(shè)計(jì)工作量的10%；然后編寫(xiě)程序的說(shuō)明，這大約也占10%；接著進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)與編碼，這大約占30%左右，其中設(shè)計(jì)與編碼幾乎各占15%；最后進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試，這要花費(fèi)整個(gè)程序設(shè)計(jì)工作量的40%以上。 6.1.1 模塊化與結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)一個(gè)完整的程序設(shè)計(jì)過(guò)程可1.模塊化程序設(shè)計(jì) （1）自底向上模塊化設(shè)計(jì) 首先對(duì)最低層模塊進(jìn)行編碼、測(cè)試和調(diào)試。這些模塊正常工作后，就可以用它們來(lái)開(kāi)發(fā)較高層的模塊。這種方法是匯編語(yǔ)言設(shè)計(jì)常用的方法。 （2）自頂向下模塊化設(shè)計(jì) 首先對(duì)最高層進(jìn)行編碼、測(cè)試和調(diào)試。為

3、了測(cè)試這些最高層模塊，可以用“結(jié)點(diǎn)”來(lái)代替還未編碼的較低層模塊，這些“結(jié)點(diǎn)”的輸入和輸出滿足程序的說(shuō)明部分要求，但功能少得多。 該方法一般適合用高級(jí)語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì)程序。 1.模塊化程序設(shè)計(jì) （1）自底向上模塊化設(shè)計(jì)2.結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì) 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(shí)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。2.結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì) 1966年，C.Bohm 和G.Jac6.1.2 面向過(guò)程與面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì) 1.面向過(guò)程的程序設(shè)計(jì)及其局限性 過(guò)程式程序設(shè)計(jì)是面向功能的。首先要定義所要實(shí)現(xiàn)的功能，然后設(shè)計(jì)為

4、實(shí)現(xiàn)這些功能所要執(zhí)行的步驟。這些步驟就是過(guò)程。編寫(xiě)代碼實(shí)際上等于分解這些步驟，使每一步直接對(duì)應(yīng)一行代碼。這就是過(guò)程式編程中的“逐步求精”的過(guò)程。 這種方式不利于中大型軟件的開(kāi)發(fā)與維護(hù)，小部分?jǐn)?shù)據(jù)或功能的改變會(huì)涉及到很多的相關(guān)程序。 2.面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì) 以上兩種方法在概念上存在以下主要區(qū)別： （1）模塊與對(duì)象 （2）過(guò)程調(diào)用和消息傳遞 （3）類(lèi)型和類(lèi) （4）靜態(tài)鏈接和動(dòng)態(tài)鏈接 6.1.2 面向過(guò)程與面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì) 1.面向過(guò)程的程序6.1.3 高級(jí)語(yǔ)言I/O控制臺(tái)編程 對(duì)于PC總線工業(yè)控制機(jī)，我們以Turbo C為例來(lái)說(shuō)明其訪問(wèn)I/O端口的編程。 Turbo C通常有庫(kù)函數(shù)，允許直接訪問(wèn)

5、I/O端口，頭文件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(gè)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(gè)字節(jié))輸入給變量b。在C語(yǔ)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輸出到端口240H中。 6.1.3 高級(jí)語(yǔ)言I/O控制臺(tái)編程 對(duì)于PC總線工業(yè)6.2 測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)

6、處理技術(shù) 6.2.1 誤差自動(dòng)校準(zhǔn) 6.2.2 線性化處理和非線性補(bǔ)償 6.2.3 標(biāo)度變換方法 6.2.4 越限報(bào)警處理 6.2.5 量化誤差來(lái)源 6.2.6 A/D、D/A及運(yùn)算字長(zhǎng)的選擇 傳感器把生產(chǎn)過(guò)程的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后用AD轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，讀入計(jì)算機(jī)中。 對(duì)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(dòng)校準(zhǔn)。 6.2 測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù) 6.2.1 誤差自動(dòng)校準(zhǔn)6.2.1 誤差自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)誤差定義：是指在相同條件下，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，誤差的數(shù)值(包括大小符號(hào))保持恒定，或按某種已知的規(guī)律變化的誤差。 特點(diǎn)：在一定的測(cè)量條件下，

7、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(shí)際中應(yīng)用最多，并且常采用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，稱(chēng)為數(shù)字調(diào)零。 數(shù)字調(diào)零：在測(cè)量時(shí)，先把多路輸入接到所需測(cè)量的一組輸入電壓上進(jìn)行測(cè)量，測(cè)出這時(shí)的輸入值為x1,然后把多路開(kāi)關(guān)的輸入接地，測(cè)出零輸入時(shí)AD轉(zhuǎn)換器的輸出為x0，用x1減去x0即為實(shí)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(dòng)校準(zhǔn)。6.2.1 誤差自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)誤差定義：是指在相同條件下，經(jīng)1.全自動(dòng)校準(zhǔn) 采用這種方法測(cè)得的V與放大器的漂移和增益變化無(wú)關(guān)，與V和R的精度也無(wú)關(guān)。這樣可大大提高測(cè)量精度，降低對(duì)電路器件的要求。 先把開(kāi)關(guān)接地，測(cè)出這時(shí)的輸入

8、值x0，然后把開(kāi)關(guān)接基準(zhǔn)電壓VR，測(cè)出輸入值x1，并存放x1、x0，在正式測(cè)量時(shí)，如測(cè)出的輸入值為x，則這時(shí)的V可用下式計(jì)算 全自動(dòng)校準(zhǔn)只適于基準(zhǔn)參數(shù)是電信號(hào)場(chǎng)合，并且不能校正由傳感器引入的誤差。為克服這種缺點(diǎn)，采用人工自動(dòng)校準(zhǔn)。自動(dòng)校準(zhǔn)：自動(dòng)測(cè)量基準(zhǔn)參數(shù)，計(jì)算誤差模型，獲得并存儲(chǔ)誤差補(bǔ)償因子。1.全自動(dòng)校準(zhǔn) 采用這種方法測(cè)得的V與放大器的漂移和增2.人工自動(dòng)校準(zhǔn) 人工自動(dòng)校準(zhǔn)只測(cè)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)yR，零信號(hào)的補(bǔ)償由數(shù)字調(diào)零來(lái)完成。 設(shè)數(shù)字調(diào)零后測(cè)出的數(shù)據(jù)分別為xR(接校準(zhǔn)輸入yR時(shí))和x(接被測(cè)輸入y時(shí))，則可按下式來(lái)計(jì)算y。 如果在校準(zhǔn)時(shí)，計(jì)算并存放yRxR的值，則測(cè)量校準(zhǔn)時(shí)，只需行一次乘

9、法即可。有時(shí)也可用yi代替yR 人工自動(dòng)校準(zhǔn)特別適于傳感器特性隨時(shí)間會(huì)發(fā)生變化的場(chǎng)合。如常用的濕敏電容等濕度傳感器。 2.人工自動(dòng)校準(zhǔn) 人工自動(dòng)校準(zhǔn)只測(cè)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)yR6.2.2 線性化處理和非線性補(bǔ)償1鉑熱電阻的阻值與溫度的關(guān)系 離線計(jì)算溫度與鉑熱電阻阻值對(duì)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(shì)與溫度的關(guān)系 與熱電阻方法相同。測(cè)量的參數(shù)為熱電偶的熱電勢(shì)。3孔板差壓與流量的關(guān)系4氣體體積流量的非線性補(bǔ)償 6.2.2 線性化處理和非線性補(bǔ)償1鉑熱電阻的阻值與溫度6.2.2 線性化處理和非線性補(bǔ)償過(guò)程控制作業(yè)P102第30題已知熱電偶的分度號(hào)為K,工作時(shí)的冷端溫度為30，測(cè)得熱

10、電勢(shì)以后，錯(cuò)用E分度表查得工作端的溫度715.2 ，試求工作端實(shí)際溫度是多少？解：首先求出工作端溫度相對(duì)0 冷端的熱電勢(shì)的值，設(shè)該值為X，按E分度表，可列出方程：再通過(guò)查K型熱電偶分度表,可求得工作端實(shí)際溫度t6.2.2 線性化處理和非線性補(bǔ)償過(guò)程控制作業(yè)P102第36.2.3 標(biāo)度變換方法 在工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，如，壓力的單位為Pa，流量的單位為m3h，溫度的單位為等，這些參數(shù)經(jīng)傳感器和AD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(lái)帶有量綱的參數(shù)值，它僅僅對(duì)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(yùn)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(lèi)型，它取決于被

11、測(cè)參數(shù)的傳感器的類(lèi)型，應(yīng)根據(jù)實(shí)際要求來(lái)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 6.2.3 標(biāo)度變換方法 在工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，如，壓力 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(cè)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(duì)應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換后的輸入值，Nmin表示量程起點(diǎn)Ymin對(duì)應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換后的輸入值，X表示測(cè)量值Y對(duì)應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換值。 XY（ Nmin ,Ymin）（Nmax ,Ymax ）（X，Y） 1.線性變換公式（前

12、提：參數(shù)值與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果為線性關(guān)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(shí)，ADC0809的轉(zhuǎn)換結(jié)果為6AH，問(wèn)此時(shí)爐內(nèi)溫度t=?解法一：解法二：例：P218 第2題解法二：過(guò)程控制作業(yè)P101第13題有一臺(tái)DDZ-型兩線制差壓變送器，已知其量程為20-100kPa，當(dāng)輸入信號(hào)為40kPa和70kPa時(shí)，變送器的輸出信號(hào)分別是多少？解： DDZ-型差壓變送器輸出信號(hào)：4-20mA，由于電流信號(hào)與測(cè)量信號(hào)呈線性關(guān)系，當(dāng)輸入信號(hào)為40kPa時(shí)，設(shè)變送器輸出信號(hào)為X，可列出方程：當(dāng)輸入

13、信號(hào)為70kPa時(shí)，可列出方程：過(guò)程控制作業(yè)P101第13題當(dāng)輸入信號(hào)為70kPa時(shí)，可列出 1.線性變換公式 Y=(Ymax-Ymin)(X-Nmin)(Nmax-Nmin)+Ymin Y表示參數(shù)測(cè)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(duì)應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換后的輸入值，Nmin表示量程起點(diǎn)Ymin對(duì)應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換后的輸入值，X表示測(cè)量值Y對(duì)應(yīng)的AD轉(zhuǎn)換值。 2.公式轉(zhuǎn)換法（非線性場(chǎng)合） 可采用直接按解析式來(lái)計(jì)算。 3.其它標(biāo)度變換法（非線性場(chǎng)合） 可采用多項(xiàng)式插值法，也可以用線性插值法或查表進(jìn)行標(biāo)度變換。 1.線性變換公式6.2.4 越限報(bào)警處理 越限報(bào)警

14、是工業(yè)控制過(guò)程常見(jiàn)而又實(shí)用的一種報(bào)警形式，它分為上限報(bào)警、下限報(bào)警及上下限報(bào)警。如果需要判斷的報(bào)警參數(shù)是xn，該參數(shù)的上下限約束值分別是xmax和xmin，則上下限報(bào)警的物理意義如下： (1)上限報(bào)警 若xnxmax，則上限報(bào)警，否則繼續(xù)執(zhí)行原定操作。 (2)下限報(bào)警 若xnxmin，則下限報(bào)警，否則繼續(xù)執(zhí)行原定操作。 (3)上下限報(bào)警 若xnxmax，則上限報(bào)警，否則對(duì)下式做判別； xnxmin否?若是則下限報(bào)警，否則繼續(xù)原定操作。 根據(jù)上述規(guī)定，程序可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)y、偏差e以及控制量u進(jìn)行上下限檢查。 6.2.4 越限報(bào)警處理 越限報(bào)警是工業(yè)控制過(guò)程常見(jiàn) 所謂量化，就是采用一組數(shù)碼(如

15、二進(jìn)制碼)來(lái)逼近離散模擬信號(hào)的幅值，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為量化過(guò)程，執(zhí)行量化動(dòng)作的裝置是A/D轉(zhuǎn)換器。 2、量化6.2.5 量化誤差來(lái)源 所謂量化，就是采用一組數(shù)碼(如二進(jìn)制碼)來(lái)逼近離散模擬量化單位量化單位：字長(zhǎng)為n的A/D轉(zhuǎn)換器把一定范圍內(nèi)變化的采樣信號(hào)變換為數(shù)字02n-1,其最低有效位（LSB）所對(duì)應(yīng)的模擬量q稱(chēng)為量化單位。 量化過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)用q去度量采樣值幅值高低的小數(shù)歸整過(guò)程。如同單位一樣。由于量化過(guò)程是小數(shù)歸整過(guò)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(zhǎng)足夠長(zhǎng)，整量化誤差足夠小。例：設(shè)模擬電壓為05V，分別采用8位和12位的

16、A/D轉(zhuǎn)換器，則可表示的最小單位q分別是：量化單位量化單位：字長(zhǎng)為n的A/D轉(zhuǎn)換器把一定范圍內(nèi)變化的采 1.量化誤差 通過(guò)AD轉(zhuǎn)換可計(jì)算出模擬電壓x相當(dāng)于多少個(gè)整量化單位，即: x=Lq+,式中L為整數(shù)，對(duì)于余數(shù)(q)可以用截尾或舍入來(lái)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(shí)際數(shù)值，xt為截尾后的數(shù)值。顯然-qt0。 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(shí)，則最小有效位加1；而當(dāng)余數(shù)小于量化單位的一半時(shí)，則舍掉。這時(shí)舍入誤差為r=xr-x，式中x為實(shí)際數(shù)值，xr舍入后的數(shù)值。顯然，-q/2rq/2。 1.量化誤差2.量化誤差來(lái)

17、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(gè)方面： (1)A/D轉(zhuǎn)換的量化效應(yīng) (2)控制規(guī)律計(jì)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)-qt0-q/2rq/22.量化誤差來(lái)源 從下圖可以看出，產(chǎn)生量化誤差的原6.2.6 A/D、D/A及運(yùn)算字長(zhǎng)的選擇 1.A/D轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)選擇2.D/A轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)選擇3.運(yùn)算的字長(zhǎng)選擇6.2.6 A/D、D/A及運(yùn)算字長(zhǎng)的選擇 1.A/D轉(zhuǎn)換1.A/D轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)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)換器有足夠的字長(zhǎng)。確定字長(zhǎng)要考慮的因素是：輸入信號(hào)x的動(dòng)態(tài)范圍和分辨率。 (1)輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍 設(shè)n為

18、A/D轉(zhuǎn)換器字長(zhǎng)，為轉(zhuǎn)換當(dāng)量（相當(dāng)于量化單位） ，若已知輸入信號(hào)的最大值和最小值之差，則可列出方程：則A/D字長(zhǎng)n為：1.A/D轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)選擇 為把量化誤差限制在所允許的1.A/D轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)選擇某爐溫度變化范圍0-1500，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(zhǎng)應(yīng)為多少？若A/D轉(zhuǎn)換器字長(zhǎng)不變，現(xiàn)通過(guò)變送器零點(diǎn)遷移而將信號(hào)零點(diǎn)遷移到600，此時(shí)系統(tǒng)對(duì)爐溫的分辨率為多少？解：由公式：得或所以A/D轉(zhuǎn)換器字長(zhǎng)應(yīng)為10位。1.A/D轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)選擇某爐溫度變化范圍0-1500，要1.A/D轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)選擇 為把量化誤差限制在所允許的

19、范圍內(nèi)，應(yīng)使A/D轉(zhuǎn)換器有足夠的字長(zhǎng)。確定字長(zhǎng)要考慮的因素是：輸入信號(hào)x的動(dòng)態(tài)范圍和分辨率。 (2)分辨率分辨率：反映A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)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(shū)對(duì)分辨率定義：若已知分辨率，則字長(zhǎng)：書(shū)上例題：溫度測(cè)量范圍0-200，要求分辨率為：0.005，求A/D轉(zhuǎn)換器字長(zhǎng)：1.A/D轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)選擇 為把量化誤差限制在所允許的2.D/A轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)選擇umax為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大輸入值umin為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最小輸入值為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的靈敏度某執(zhí)行機(jī)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(zhǎng)是多少？因此：取A/D轉(zhuǎn)換器字長(zhǎng)

20、為10位。2.D/A轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)選擇umax為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大輸入值某6.3 數(shù)字控制器的工程實(shí)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(shí)現(xiàn) 6.3.4 控制量處理 6.3.5 自動(dòng)/手動(dòng)切換技術(shù) 數(shù)字控制器算法的工程實(shí)現(xiàn)中，應(yīng)注意的問(wèn)題，由以下五部分給出 :6.3 數(shù)字控制器的工程實(shí)現(xiàn) 6.3.1 給定值6.3.1 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(guò)選擇軟開(kāi)關(guān)CLCR，可以構(gòu)成內(nèi)給定狀態(tài)或外給定狀態(tài)；通過(guò)選擇軟開(kāi)關(guān)CASSCC，可以構(gòu)成串級(jí)控制或SCC控制。 (1)內(nèi)給定狀態(tài) 當(dāng)軟開(kāi)關(guān)CL

21、CR切向CL位置時(shí)，選擇操作員設(shè)置的給定值SVL。這時(shí)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。6.3.1 給定值和被控量處理 1.給定值處理 (2)外給定狀態(tài) 當(dāng)軟開(kāi)關(guān)CLCR切向CR位置時(shí)，給定值來(lái)自上位計(jì)算機(jī)、主回路或運(yùn)算模塊。這時(shí)系統(tǒng)處于外給定狀態(tài)。在此狀態(tài)下，可以實(shí)現(xiàn)以下兩種控制方式。 SCC控制:當(dāng)軟開(kāi)關(guān)CASSCC切向SCC位置時(shí)，接收來(lái)自上位計(jì)算機(jī)的給定值SVS，以便實(shí)現(xiàn)二級(jí)計(jì)算機(jī)控制。 串級(jí)控制:當(dāng)軟開(kāi)關(guān)CASSCC切向CAS位置時(shí)，給定值SVS來(lái)自主調(diào)節(jié)模塊，實(shí)現(xiàn)串級(jí)控制。 (3)給定值變化率限制 為了減少給定值突變對(duì)控制系統(tǒng)的擾動(dòng)，防止比例、積分飽和，以

22、實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)控制，需要對(duì)給定值的變化率SR加以限制。變化率的選取要適中，過(guò)小會(huì)使響應(yīng)變慢，過(guò)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(gè)輸入量(SVL，SVC，SVS)，兩個(gè)輸出量(SV，CSV)，兩個(gè)開(kāi)關(guān)量(CLCR，CASSCC)，一個(gè)變化率(SR)。為了便于PID控制程序調(diào)用這些量，需要給每個(gè)PID控制模塊提供一段內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)，來(lái)存儲(chǔ)以上變量。 (2)外給定狀態(tài)2.被控量處理 為了安全運(yùn)行，需要對(duì)被控量PV進(jìn)行上下限報(bào)警處理,即: 當(dāng)PVPH(上限值)時(shí)，則上限報(bào)警狀態(tài)(PHA)為“1”； 當(dāng)PVPL(下限值)時(shí)，則下限報(bào)警狀態(tài)(PLA)為“1”。 當(dāng)出現(xiàn)上、下限報(bào)警狀態(tài)(PH

23、A，PLA)時(shí)，它們通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出聲或光，以便提醒操作員注意。為了不使PHAPLA的狀態(tài)頻繁改變，可以設(shè)置一定的報(bào)警死區(qū)(HY)。 為了實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)控制，需要對(duì)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(guò)小會(huì)使響應(yīng)變慢，過(guò)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(gè)輸入量PV，三個(gè)輸出量PHA、PLA和CPV，四個(gè)參數(shù)PH、PL、HY和PR。 2.被控量處理 為了安全運(yùn)行，需要對(duì)被控量PV進(jìn)行上下6.3.2 偏差處理 偏差處理分為計(jì)算偏差、偏差報(bào)警、非線性特性和輸入補(bǔ)償四部分，如下圖所示。 1計(jì)算偏差：根據(jù)正反作用方式(DR)計(jì)算偏差DV， 當(dāng)DR=0，代表正作用，此時(shí)偏差D

24、V=CPV-CSV； 當(dāng)DR=1，代表反作用，此時(shí)偏差DV=CSV-CPV； 2偏差報(bào)警 ： 對(duì)于控制要求較高的對(duì)象，不僅要設(shè)置被控制量PV的上、下限報(bào)警，而且要設(shè)置偏差報(bào)警。 當(dāng)偏差絕對(duì)值|DV|DL時(shí)，則偏差報(bào)警狀態(tài)DLA為“1”。 6.3.2 偏差處理 偏差處理分為計(jì)算偏差、偏差報(bào)警3輸入補(bǔ)償 根據(jù)輸入補(bǔ)償方式ICM狀態(tài)，決定偏差DVC與輸入補(bǔ)償量ICV之間的關(guān)系，即 當(dāng)ICM=0，代表無(wú)補(bǔ)償，此時(shí)CDV=DVC； 當(dāng)ICM=1，代表加補(bǔ)償，此時(shí)CDV=DVC+ICV; 當(dāng)ICM=2，代表減補(bǔ)償，此時(shí)CDV=DVC-ICV; 當(dāng)ICM=3，代表置換補(bǔ)償，此時(shí)CDV=ICV。 利用加、減輸

25、入補(bǔ)償，可以分別實(shí)現(xiàn)前饋控制和純滯后補(bǔ)償(Smith)控制。4非線性特性 為了實(shí)現(xiàn)非線性PID控制或帶死區(qū)的PID控制，設(shè)置了非線性區(qū)-A至+A和非線性增益K，非線性特性如圖所示。即 當(dāng)K=0時(shí)，則為帶死區(qū)的PID控制； 當(dāng)0K1時(shí)，則為非線性PID控制； 當(dāng)K=1時(shí)，則為正常的PID控制。 偏差處理數(shù)據(jù)區(qū)共存放一個(gè)輸入補(bǔ)償量ICV，兩個(gè)輸出量DLA和CDV，兩個(gè)狀態(tài)量DR和ICM，以及四個(gè)參數(shù)DL、-A、+A和K。 3輸入補(bǔ)償 6.3.3 控制算法的實(shí)現(xiàn) 在自動(dòng)狀態(tài)下，需要進(jìn)行控制計(jì)算，即按照各種控制算法的差分方程，計(jì)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(kāi)關(guān)DVP

26、V切向DV位置時(shí)，則選用偏差微分方式；當(dāng)軟開(kāi)關(guān)DVPV切向PV位置時(shí)，則選用測(cè)量(即被控量)微分方式。 在PID計(jì)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DVPV、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(yùn)算，還應(yīng)保存歷史數(shù)據(jù)，如e(k-1)、e(k-2)和u(k-1)。6.3.3 控制算法的實(shí)現(xiàn) 在自動(dòng)狀態(tài)下，需要進(jìn)行控6.3.4 控制量處理 在輸出控制量UK以前，還應(yīng)經(jīng)過(guò)各項(xiàng)處理和判斷，以便擴(kuò)展控制功能，實(shí)現(xiàn)安全平穩(wěn)操作。 1輸出補(bǔ)償：根據(jù)輸出補(bǔ)償方式OCM的狀態(tài)，決定控制量UK與輸出補(bǔ)償量OCV之間的關(guān)系，即：

27、 當(dāng)OCM=0,代表無(wú)補(bǔ)償，此時(shí)Uc=Uk； 當(dāng)OCM=1,代表加補(bǔ)償，此時(shí)Uc=Uk+OCV； 當(dāng)OCM=2,代表減補(bǔ)償，此時(shí)Uc=Uk-OCV; 當(dāng)OVM=3，代表置換補(bǔ)償，此時(shí)Uc=OCV. 利用輸出和輸入補(bǔ)償，可以擴(kuò)大實(shí)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(dòng)控制系統(tǒng)。6.3.4 控制量處理 在輸出控制量UK以前，還應(yīng)經(jīng) 2變化率限制：為了實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)操作，需要對(duì)控制量的變化率MR加以限制。變化率的選取要適中，過(guò)小會(huì)使操作緩慢，過(guò)大則達(dá)不到限制的目的。 3輸出保持：當(dāng)軟開(kāi)關(guān)FHNH切向NH位置時(shí)，現(xiàn)時(shí)刻的控制量u(k)等于前一時(shí)刻的控制量u(k-1)，也就是說(shuō)，輸出控制量保

28、持不變。當(dāng)軟開(kāi)關(guān)FHNH切向FH位置時(shí)，又恢復(fù)正常輸出方式。軟開(kāi)關(guān)FHNH狀態(tài)一般來(lái)自系統(tǒng)安全報(bào)警開(kāi)關(guān)。 4安全輸出：當(dāng)軟開(kāi)關(guān)FSNS切向NS位置時(shí)，現(xiàn)時(shí)刻的控制量等于預(yù)置的安全輸出量MS。當(dāng)軟開(kāi)關(guān)FSNS切向FS位置時(shí)，又恢復(fù)正常輸出方式。軟開(kāi)關(guān)FSNS狀態(tài)一般來(lái)自系統(tǒng)安全報(bào)警開(kāi)關(guān)。 控制量處理數(shù)據(jù)區(qū)需要存放輸出補(bǔ)償量OCV和補(bǔ)償方式OCM，變化率限制值MR，軟開(kāi)關(guān)FHNH和FSNS，安全輸出量MS，以及控制量CMV。 2變化率限制：為了實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)操作，需要對(duì)控制量的變化6.3.5 自動(dòng)手動(dòng)切換技術(shù) 在正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)處于自動(dòng)狀態(tài)；而在調(diào)試階段或出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)處于手動(dòng)狀態(tài)。下圖為自動(dòng)/手動(dòng)切

29、換處理框圖。 1.軟自動(dòng)軟手動(dòng) 當(dāng)軟開(kāi)關(guān)SASM切向SA位置時(shí)，系統(tǒng)處于正常的自動(dòng)狀態(tài)，稱(chēng)為軟自動(dòng)(SA)；反之，切向SM位置時(shí)，控制量來(lái)自操作鍵盤(pán)或上位計(jì)算機(jī)，此時(shí)系統(tǒng)處于計(jì)算機(jī)手動(dòng)狀態(tài)，稱(chēng)為軟手動(dòng)(SM)。一般在調(diào)試階段，采用軟手動(dòng)(SM)方式。6.3.5 自動(dòng)手動(dòng)切換技術(shù) 在正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)處于2.控制量限幅 為了保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作在有效范圍內(nèi)，需要對(duì)控制量Us進(jìn)行上、下限限幅處理，使得MLMVMH，再經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器輸出010mADC或420mADC。3.自動(dòng)手動(dòng) 對(duì)于一般的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，可采用手動(dòng)操作器作為計(jì)算機(jī)的后備操作。當(dāng)切換開(kāi)關(guān)處于HA位置時(shí)，控制量MV通過(guò)DA輸出，此時(shí)系統(tǒng)處于正

30、常的計(jì)算機(jī)控制方式，稱(chēng)為自動(dòng)狀態(tài)(HA狀態(tài))；反之，若切向HM位置，則計(jì)算機(jī)不再承擔(dān)控制任務(wù)，由運(yùn)行人員通過(guò)手動(dòng)操作器輸出010mADC或420mADC信號(hào)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)方操作，這稱(chēng)為手動(dòng)狀態(tài)(HM狀態(tài))。2.控制量限幅 4.無(wú)平衡無(wú)擾動(dòng)切換 所謂無(wú)平衡無(wú)擾動(dòng)切換，是指在進(jìn)行手動(dòng)到自動(dòng)或自動(dòng)到手動(dòng)的切換之前，無(wú)須由人工進(jìn)行手動(dòng)輸出控制信號(hào)與自動(dòng)輸出控制信號(hào)之間的對(duì)位平衡操作，就可以保證切換時(shí)不會(huì)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的現(xiàn)有位置產(chǎn)生擾動(dòng)。 （1）從手動(dòng)到自動(dòng)的無(wú)平衡操作無(wú)擾動(dòng)切換 （2）從自動(dòng)(SA與HA)切向軟手動(dòng)(SM)時(shí)的無(wú)擾動(dòng)切換。 （3）從輸出保持狀態(tài)或安全輸出狀態(tài)切向正常的自動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，同

31、樣需要進(jìn)行無(wú)擾動(dòng)切換。 自動(dòng)手動(dòng)切換數(shù)據(jù)區(qū)需要存放軟手動(dòng)控制量SMV，軟開(kāi)關(guān)SASM狀態(tài)，控制量上限限值(MH)和下限限值(ML)，控制量MV，切換開(kāi)關(guān)HAHM狀態(tài)，以及手動(dòng)操作器輸出VM。4.無(wú)平衡無(wú)擾動(dòng)切換 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(shí)體。只有正確地填寫(xiě)PID數(shù)據(jù)區(qū)后，才能實(shí)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(jí)、前饋、純滯后補(bǔ)償(Smit

32、h)等復(fù)雜控制系統(tǒng)，對(duì)于后面兩種系統(tǒng)還應(yīng)增加補(bǔ)償器運(yùn)算模塊。利用該控制模塊和各種功能運(yùn)算模塊的組合，可以組成各種控制系統(tǒng)來(lái)滿足生產(chǎn)過(guò)程控制的要求。 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)。6.4 軟件抗干擾技術(shù)1.測(cè)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(cuò)誤，容易修改和補(bǔ)充。（2）實(shí)時(shí)性 要求系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)外部事件的發(fā)生，并及時(shí)給出處理結(jié)果。（3）可測(cè)試性 兩方面含義：其一是比較容易制定出測(cè)試準(zhǔn)則，并根據(jù)這些準(zhǔn)則對(duì)軟件進(jìn)行測(cè)試；其二軟件設(shè)計(jì)完成后，首先在模擬環(huán)境下運(yùn)行，經(jīng)過(guò)靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)仿真運(yùn)行，證明正確無(wú)誤后才可投入實(shí)際運(yùn)行。6.4 軟件

33、抗干擾技術(shù)1.測(cè)控系統(tǒng)軟件的基本要求（1）易理解（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(yùn)行參數(shù)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，軟件能可靠運(yùn)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(yùn)行。（4）準(zhǔn)確性 算法選擇、位數(shù)選擇等要符合要求。（5）可靠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(hào)上噪聲影響，如模擬輸入信號(hào)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(mén)狗”技術(shù)等； (

34、3) 發(fā)現(xiàn)程序失控后，解決系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行的方法，如重要信息的恢復(fù)，系統(tǒng)重入的條件等；2.軟件抗干擾研究的主要內(nèi)容 (1) 采用軟件的方法抑制 (3) 數(shù)字濾波器可以根據(jù)信號(hào)的不同，采用不同的濾波方法或?yàn)V波參數(shù)，具有靈活、方便、功能強(qiáng)的特點(diǎn)。6.4.1 數(shù)字濾波技術(shù) 所謂數(shù)字濾波，就是通過(guò)一定的計(jì)算或判斷程序減少干擾在有用信號(hào)中的比重。故實(shí)質(zhì)上它是一種程序?yàn)V波。 與模擬濾波器相比，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn): (1) 數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬設(shè)備，所以可靠性高，穩(wěn)定性好。 (2) 數(shù)字濾波可以對(duì)頻率很低(如001HZ)的信號(hào)實(shí)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)平均值法、中

35、位值濾波法、限幅濾波法、慣性濾波法 (3) 數(shù)字濾波器可以根據(jù)信號(hào)的不同，采用不同的濾1.算術(shù)平均值法第術(shù)平均值法是對(duì)輸入的N個(gè)采樣數(shù)據(jù)xi(i=1N)，尋找這樣一個(gè)y，使y與各采樣值間的偏差的平方和為最小，使由一元函數(shù)求極值原理可得：1.算術(shù)平均值法第術(shù)平均值法是對(duì)輸入的N個(gè)采樣數(shù)據(jù)xi(i=例：某壓力儀表采樣數(shù)據(jù)如下：1234567891024252027246024252623序 號(hào)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+23)/10=28干擾被平均到采樣值中去了 例：某壓力儀表采樣數(shù)據(jù)

36、如下：12345678910242523） 平均值濾波法一般適用于具有周期性干擾噪聲的信號(hào)，但對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖干擾信號(hào)，濾波效果尚不理想。 特點(diǎn)：1） N值決定了信號(hào)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(duì)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(shí)刻采集數(shù)據(jù)受到同樣重視。實(shí)際上某些場(chǎng)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。3） 平均值濾波法一般適用于具有周期性干擾噪聲的信號(hào)，但對(duì)偶2.中位值濾波法 中位值濾波法的原理是對(duì)被測(cè)參數(shù)連續(xù)采樣

37、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(diǎn):中位值濾波法對(duì)脈沖干擾信號(hào)等偶然因素引發(fā)的干擾有良好的濾波效果。如對(duì)溫度、液位等變化緩慢的被測(cè)參數(shù)采用此法會(huì)收到良好的濾波效果；對(duì)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(lái)使用，濾波效果會(huì)更好。即在每個(gè)采樣周期，先用中位值濾波法得到m個(gè)濾波值，再對(duì)這m個(gè)濾波值進(jìn)行算術(shù)平均，得到可用的被測(cè)參數(shù)。也稱(chēng)為去脈沖干擾平均值濾波法. 2.中位值濾波法 中位值濾波法的原理是對(duì)被測(cè)參數(shù)連續(xù)采樣123456789242520272460242526例：某壓力儀表采樣數(shù)據(jù)如下：序 號(hào)采樣

38、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(duì)1、2、3次采樣中位值濾波后值：24對(duì)4、5、6次采樣中位值濾波后值：27對(duì)7、8、9次采樣中位值濾波后值：25123456789242520272460242526例：某3.限幅濾波法 由于大的隨機(jī)干擾或采樣器的不穩(wěn)定，使得采樣數(shù)據(jù)偏離實(shí)際值太遠(yuǎn)，為此采用上、下限限幅，即 當(dāng)y(n)yH時(shí)，則取y(n)=yH(上限值)； 當(dāng)y(n)yL時(shí)，則取y(n)=yL(下限值)； 當(dāng)yLy(n)yH時(shí)，則取y(n)。而且采用限速(亦稱(chēng)限制變化率)，即 當(dāng)|y(n)-y(n-1)|y0時(shí)，則取y(n); 當(dāng)|y(n)

39、-y(n-1)|y0時(shí)，則取y(n)=y(n-1)。其中y0為兩次相鄰采樣值之差的可能最大變化量。y0值的選取，取決于采樣周期T及被測(cè)參數(shù)y應(yīng)有的正常變化率。因此，一定要按照實(shí)際情況來(lái)確定y0、yH及yL，否則，非但達(dá)不到濾波效果，反而會(huì)降低控制品質(zhì)。3.限幅濾波法 由于大的隨機(jī)干擾或采樣器的不穩(wěn)定，使得4.慣性濾波法 RC濾波器的傳遞函數(shù)是 其中Tf=RC,它的濾波效果取決于濾波時(shí)間常數(shù)Tf。因此，RC濾波器不可能對(duì)極低頻率的信號(hào)進(jìn)行濾波。為此，人們模仿上式做成一階慣性濾波器亦稱(chēng)低通濾波器。 即將上式寫(xiě)成差分方程 稍加整理得 其中，稱(chēng)為濾波系數(shù)，且01，Ts為采樣周期，Tf為濾波器時(shí)間常數(shù)。 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(shí)際情況，適當(dāng)選取值，使得被測(cè)參數(shù)既不