計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)第1頁，共29頁，2023年，2月20日，星期二第一節(jié)概述一、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件組成軟件一般包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大部分。系統(tǒng)軟件由開發(fā)商提供，它包括監(jiān)控管理程序，實(shí)時操作系統(tǒng)和各種語言的翻譯程序，即匯編和編譯程序，如8031的匯編程序、C51、TurboC、BorlandC、VB、VC語言的編譯程序。系統(tǒng)軟件不需用戶自行設(shè)計(jì)，用戶只需了解它的應(yīng)用，將其作為一種工具進(jìn)行編程及開發(fā)。應(yīng)用軟件則是面向生產(chǎn)過程控制，根據(jù)不同的應(yīng)用場合由用戶自行編制。這類程序面向不同的生產(chǎn)對象和控制要求，因此通用性差，必須由用戶自行開發(fā)及編寫。第2頁，共29頁，2023年，2月20日，星期二應(yīng)用程序大體分為以下幾大類。

1．控制算法程序控制算法程序主要實(shí)現(xiàn)控制規(guī)律的計(jì)算，產(chǎn)生控制量。常用的控制算法有：數(shù)字PID控制算法、大林算法、Smith補(bǔ)償控制算法、最少拍控制算法、串級控制算法、前饋控制算法、解耦控制算法、模糊控制算法、最優(yōu)控制算法等。

2．?dāng)?shù)據(jù)采集及處理程序數(shù)據(jù)采集程序包括：用于檢查是可靠輸入數(shù)據(jù)還是故障數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)可靠性檢查程序、A/D轉(zhuǎn)換及采樣程序、用于濾除干擾造成的錯誤數(shù)據(jù)或不宜使用的數(shù)據(jù)的數(shù)字濾波程序、用于對檢測元件或變送器的非線性特性進(jìn)行補(bǔ)償?shù)木€性化處理程序等。第3頁，共29頁，2023年，2月20日，星期二

3．實(shí)時時鐘和中斷處理程序?qū)崟r時鐘是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)一切與時間有關(guān)的控制過程運(yùn)行的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中有很多任務(wù)是按時間順序安排的，這些任務(wù)的觸發(fā)和撤消由系統(tǒng)時鐘來控制，不用操作者直接干預(yù)。許多實(shí)時任務(wù)，如采樣周期、定時顯示打印、定時數(shù)據(jù)處理等都必須利用實(shí)時時鐘來實(shí)現(xiàn)，并由定時中斷服務(wù)程序去執(zhí)行相應(yīng)的動作或處理動作狀態(tài)標(biāo)志等。另外，事故報(bào)警、掉電檢測及處理、重要的事件處理等功能的實(shí)現(xiàn)常常使用中斷技術(shù)，以便計(jì)算機(jī)能對事件做出及時處理。4．?dāng)?shù)據(jù)管理程序這部分程序用于生產(chǎn)管理，主要包括：畫面顯示、變化趨勢分析、報(bào)警記錄、統(tǒng)計(jì)報(bào)表打印輸出等。第4頁，共29頁，2023年，2月20日，星期二

二、應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)方法1．應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的幾個特點(diǎn)（1）應(yīng)用程序與硬件配置密切相關(guān)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件，是針對某一具體控制問題而設(shè)計(jì)的?？刂茖ο蠛涂刂埔蟛煌?，選用的硬件配置必然不一樣。（2）頻繁的端口操作計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)過程通道的端口和計(jì)算機(jī)的I/O端口總是處于頻繁工作狀態(tài)。相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)必須保證I/O端口工作的實(shí)時性和可靠性。（3）實(shí)時性要求在控制任務(wù)較復(fù)雜時，程序的執(zhí)行時間是控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)必須顧及的一個問題。應(yīng)特別注意采樣周期、控制周期與中斷周期在實(shí)時性方面能否滿足要求。（4）軟件可靠性與抗干擾能力要求工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境一般比較復(fù)雜、干擾源比較多，并且控制系統(tǒng)的高可靠性又是必須的。因此，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，除了考慮硬件抗干擾外，必須顧及軟件抗干擾。第5頁，共29頁，2023年，2月20日，星期二2．應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的基本步驟

(1)問題定義；

(2)程序設(shè)計(jì)；

(3)手編程序；

(4)查錯；

(5)調(diào)試；

(6)文件編制；

(7)維護(hù)和再設(shè)計(jì)；圖8-1給出了應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的流程圖，它描述了應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的基本任務(wù)和設(shè)計(jì)過程。第6頁，共29頁，2023年，2月20日，星期二否是是是問題定義程序設(shè)計(jì)文件編制手編程序開始調(diào)試結(jié)束有？錯？否否查錯有錯？維護(hù)和再設(shè)計(jì)大錯？圖8-1應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)的流程圖第7頁，共29頁，2023年，2月20日，星期二

3．應(yīng)用程序設(shè)計(jì)方法（1）模塊化程序設(shè)計(jì)模塊化程序設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是把一個復(fù)雜的程序，分解為若干個功能模塊，每個模塊執(zhí)行單一的功能，并且具有單入口單出口結(jié)構(gòu)，在分別進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)、編程、查錯和調(diào)試之后，最終裝配在一起，連接成完整的大程序。（2）結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)采用自頂向下逐步求精的設(shè)計(jì)方法和單入口單出口的控制結(jié)構(gòu)。在總體設(shè)計(jì)階段，采用自頂向下逐步求精的方法，可以把一個復(fù)雜問題的解法分解和細(xì)化成一個由許多模塊組成的軟件系統(tǒng)。在詳細(xì)設(shè)計(jì)或編程階段，采用自頂向下逐步求細(xì)的方法，可以把一個模塊的功能逐步分解細(xì)化為一系列具體的處理步驟或某種高級語言的語句。第8頁，共29頁，2023年，2月20日，星期二4．應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)（1）控制軟件的設(shè)計(jì)對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來說，控制軟件包括：實(shí)時管理軟件和過程監(jiān)視及控制算法計(jì)算軟件兩大部分。實(shí)時管理軟件是對整個控制系統(tǒng)進(jìn)行管理用的程序，包括對應(yīng)用控制程序的調(diào)度、I/O管理、中斷管理、實(shí)時管理等，相當(dāng)于整個計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的主程序。過程監(jiān)視及控制算法計(jì)算軟件主要是根據(jù)采集的信息、輸入的指令以及所設(shè)計(jì)的控制算法而編制的程序。主要包括：數(shù)據(jù)變換處理程序，控制指令生成程序，事故處理程序，信息管理程序。典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制軟件流程如圖8-3所示。第9頁，共29頁，2023年，2月20日，星期二圖8-3典型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的控制軟件流程圖第10頁，共29頁，2023年，2月20日，星期二（2）控制軟件設(shè)計(jì)應(yīng)注意的幾個問題①盡量用符號表示地址、I/O設(shè)備、常數(shù)或數(shù)字參數(shù)，這樣使程序的可讀性增強(qiáng)，也給程序的修改和擴(kuò)充帶來方便。②避免使用容易混淆的字符，尤其是和助記符相近的字符盡量避免使用。③程序模塊不宜過大，以方便于系統(tǒng)調(diào)試。盡量做到每一功能對應(yīng)一個功能模塊，在系統(tǒng)調(diào)試時可分模塊調(diào)試軟件和硬件。④程序模塊盡量通用，這樣程序的可移植性強(qiáng)。⑤重視程序的易讀性，盡量多加注釋語句，這樣的程序易讀性好可維護(hù)性強(qiáng)，同時給后續(xù)程序編制帶來方便。第11頁，共29頁，2023年，2月20日，星期二

第二節(jié)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理一、線性化處理在數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中，一般總希望系統(tǒng)的輸出和輸入呈簡單的線性關(guān)系，這樣當(dāng)用儀表來檢測和顯示系統(tǒng)中的某個物理量時，能得到均勻的刻度，不僅讀數(shù)看起來清楚方便，而且儀表在整個范圍內(nèi)靈敏度一致。但是在實(shí)際工程中，計(jì)算機(jī)從模擬量輸入通道得到的現(xiàn)場信號與該信號所代表的被測物理量之間不一定是線性關(guān)系,經(jīng)常存在著非線性關(guān)系。為了保證這些參數(shù)能有線性輸出，需要引入非線性補(bǔ)償，將輸出信號與被測物理量之間的非線性補(bǔ)償為線性關(guān)系，這種補(bǔ)償過程稱為線性化處理。第12頁，共29頁，2023年，2月20日，星期二

1.分段線性化設(shè)傳感器的輸入輸出特性曲線如圖8-4所示。由圖可知，輸入x和輸出y之間存在非線性關(guān)系y=f(x)，當(dāng)已知某一輸入值x后，按簡單的線性關(guān)系求出其對應(yīng)的y值，會造成較大的誤差。為此，可將該曲線按一定要求分成若干段，然后把相鄰兩點(diǎn)用直線連接起來(如圖中虛線所示)。用連接成的直線段代替該曲線，即可求出任意輸入值x所對應(yīng)的輸出值y。第13頁，共29頁，2023年，2月20日，星期二圖8-4分段線性插值法例如，設(shè)x在(xi，xi+1)區(qū)間內(nèi)，則其對應(yīng)的逼近值為：式中，，為第i段直線的斜率。第14頁，共29頁，2023年，2月20日，星期二

2.線性化處理的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)步驟

(1)用實(shí)驗(yàn)法測量輸入輸出的非線性關(guān)系曲線y=f(x)。

(2)將測量得到的曲線進(jìn)行分段，選擇插值基點(diǎn)。分段方法要根據(jù)曲線的變化情況確定，使選取的基點(diǎn)更合理。分段方法主要有等距分段法和非等距分段法兩種。

(3)確定并計(jì)算出各插值點(diǎn)的xi、yi值及兩相鄰插值點(diǎn)間擬合直線段的斜率ki，并在程序中以數(shù)據(jù)表的形式存放。

(4)通過查表找出x所在的區(qū)間，取出該段直線的斜率ki和基點(diǎn)值xi、yi。

(5)根據(jù)插值公式y(tǒng)=yi+ki(x-xi)，計(jì)算出x點(diǎn)所對應(yīng)的y值。第15頁，共29頁，2023年，2月20日，星期二二、標(biāo)度變換生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)都有不同的量綱和數(shù)值變化范圍，如電壓的單位為V，電流的單位為A，溫度的單位為℃，壓力的單位為Pa等。這些參數(shù)經(jīng)傳感器和A/D轉(zhuǎn)換后得到一個數(shù)字量，該數(shù)字量僅表示一個代表參數(shù)大小的數(shù)值，并不一定等于原來帶有物理量綱的參數(shù)值，故需將其轉(zhuǎn)換成帶有物理量綱的數(shù)值后才能進(jìn)行顯示或打印輸出，這種轉(zhuǎn)換稱為標(biāo)度變換。

1．線性參數(shù)的標(biāo)度變換所謂線性參數(shù),是指參數(shù)值與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果之間為線性關(guān)系，線性標(biāo)度變換是最常用的變換方法。變換公式如下：第16頁，共29頁，2023年，2月20日，星期二

2．非線性參數(shù)的標(biāo)度變換當(dāng)傳感器測出的數(shù)據(jù)與實(shí)際被測參數(shù)之間不是線性關(guān)系時，其標(biāo)度變換公式應(yīng)根據(jù)具體問題具體分析。首先應(yīng)求出它們之間所對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，如果這種函數(shù)關(guān)系可以用解析式來表示，就可以直接求出它所對應(yīng)的標(biāo)度變換公式來進(jìn)行計(jì)算。例如，在流量測量中，從差壓變送器來的信號ΔP與實(shí)際流量G成平方根關(guān)系，即：式中，K為刻度系數(shù)，與流體的性質(zhì)及節(jié)流裝置的尺寸有關(guān)。第17頁，共29頁，2023年，2月20日，星期二三、查表法

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，有些參數(shù)的計(jì)算是非常復(fù)雜的，用計(jì)算機(jī)計(jì)算不僅程序長，難于計(jì)算，而且需要耗費(fèi)大量時間。還有一些非線性參數(shù)，它們不是用一般算術(shù)運(yùn)算就可以計(jì)算出來，而是要涉及到指數(shù)、對數(shù)、三角函數(shù)、以及積分、微分等運(yùn)算，所有這些運(yùn)算用匯編語言編寫程序都比較復(fù)雜。為了解決這些問題，可以采用查表法。查表法在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛。所謂查表法，就是把事先計(jì)算或測得的數(shù)據(jù)按一定順序編制成表格，查表程序的任務(wù)就是根據(jù)被測參數(shù)的值或者中間結(jié)果，查出最終所需要的結(jié)果。查表是一種非數(shù)值計(jì)算方法，利用這種方法可以完成數(shù)據(jù)補(bǔ)償、計(jì)算、轉(zhuǎn)換等各種工作，它具有回避復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算和無規(guī)則數(shù)學(xué)運(yùn)算等優(yōu)點(diǎn)。第18頁，共29頁，2023年，2月20日，星期二

1．順序查表法順序查表法是針對無序排列表格的一種方法。即按照順序從第一項(xiàng)開始逐項(xiàng)查找，直到找到所要查找的關(guān)鍵字為止。

2．計(jì)算查表法計(jì)算查表法通常用于要搜索的內(nèi)容與表格的排列有一定關(guān)系的表格。使用這種查表法的關(guān)鍵在于找出一個計(jì)算表地址的公式，有了這樣的公式進(jìn)行查表，查表時間就與表的長度無關(guān)。

3．對分查表法對分查表法是一種在實(shí)際應(yīng)用中常使用的方法。對于那些表格比較長，滿足從大到小或從小到大的排列順序，且難以用計(jì)算查表法進(jìn)行查找的表格，可以采用對分查表法。對于從小到大順序來說，若元素大于中間值，則下一次取中間值至最大值區(qū)間的中間值進(jìn)行比較，否則，取最小值至中間值區(qū)間的中間值進(jìn)行比較。第19頁，共29頁，2023年，2月20日，星期二第三節(jié)數(shù)字濾波所謂數(shù)字濾波，就是通過一定的計(jì)算程序減少干擾信號在有用信號中的比重。數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足，它與模擬濾波器相比有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：

(1)由于數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，因而不需要增加硬件設(shè)備，很容易實(shí)現(xiàn)。同時，多個輸入通道還可以共用一個濾波程序。

(2)由于數(shù)字濾波不需要硬件設(shè)備，因而可靠性高,穩(wěn)定性好，各回路之間不存在阻抗匹配等問題。

(3)數(shù)字濾波可以對頻率很低的信號實(shí)現(xiàn)濾波，而模擬濾波器在低頻段濾波難以取得好的濾波效果。

(4)通過改寫數(shù)字濾波程序，可以實(shí)現(xiàn)不同的濾波方法或調(diào)整濾波參數(shù)，它比改變模擬濾波器的硬件方便得多。第20頁，共29頁，2023年，2月20日，星期二一、程序判斷濾波程序判斷濾波的方法，便是根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，確定出相鄰兩次采樣信號之間可能出現(xiàn)的最大偏差。若超過此偏差值，則表明該輸入信號是干擾信號，應(yīng)該去掉；如小于此偏差值，可將信號作為本次采樣值。

1．限幅濾波法限幅濾波的作法是把兩次相鄰的采樣值相減，求出其增量(以絕對值表示)，然后與兩次采樣允許的最大差值(由被控對象的實(shí)際情況決定)ΔY進(jìn)行比較。若小于或等于ΔY，則取本次采樣值；若大于ΔY，則仍取上次采樣值作為本次采樣值，即：｜Y(k)-Y(k-1)｜≤ΔY，則Y(k)=Y(k)，取本次采樣值；｜Y(k)-Y(k-1)｜＞ΔY，則Y(k)=Y(k-1)，取上次采樣值。其中，Y(k)是第k次采樣值；Y(k-1)是第(k-1)次采樣值；ΔY是相鄰兩次采樣值可能的最大偏差，其大小取決于采樣周期T及Y值的動態(tài)響應(yīng)。第21頁，共29頁，2023年，2月20日，星期二

2．限速濾波法限速濾波是用三次采樣值來決定采樣結(jié)果。其方法是，當(dāng)｜Y(n)-Y(n-1)｜＞ΔY時，再采樣一次，取得Y(n+1)，然后根據(jù)｜Y(n+1)-Y(n)｜與ΔY的大小關(guān)系來決定本次采樣值。具體判別式如下：設(shè)順序采樣時刻tn-1，tn，tn+1所采集的參數(shù)分別為Y(n-1)，Y(n)，Y(n+1)，那么：當(dāng)｜Y(n)-Y(n-1)｜≤ΔY時，取Y(n)輸入計(jì)算機(jī)；當(dāng)｜Y(n)-Y(n-1)｜＞ΔY時，Y(n)不采用，但仍保留，繼續(xù)采樣取得Y(n+1)；當(dāng)｜Y(n+1)-Y(n)｜≤ΔY時，取Y(n+1)輸入計(jì)算機(jī)；當(dāng)｜Y(n+1)-Y(n)｜＞ΔY時，取Y(n)=[Y(n)+Y(n+1)]/2輸入計(jì)算機(jī)。第22頁，共29頁，2023年，2月20日，星期二限幅濾波法，主要用于變化比較緩慢的參數(shù)，如溫度、液位等。使用時關(guān)鍵問題是最大允許誤差ΔY的選?。害太大，各種干擾信號將“乘機(jī)而入”，使系統(tǒng)誤差增大；ΔY太小，又會使某些有用信號被“拒之門外”，使計(jì)算機(jī)采樣效率變低。通常可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取，必要時，也可由實(shí)驗(yàn)得出。限速濾波是一種折衷方法，既照顧了采樣的實(shí)時性，又顧及了采樣值變化的連續(xù)性。但這種方法也有明顯的缺點(diǎn)：第一是ΔY的確定不夠靈活，必須根據(jù)現(xiàn)場的情況不斷更換新值；第二是不能反應(yīng)采樣點(diǎn)數(shù)N＞3時各采樣值受干擾情況。因此，它的應(yīng)用受到一定的限制。第23頁，共29頁，2023年，2月20日，星期二

二、中值濾波這種濾波法是將被測參數(shù)連續(xù)采樣N次(一般N取奇數(shù))，然后把采樣值按大小順序排列，再取中間值作為本次的采樣值。中值濾波對于去掉偶然因素引起的波動或采樣器不穩(wěn)定而造成的誤差所引起的脈動干擾比較有效。若變量變化比較緩慢，采用中值濾波效果比較好，但對快速變化的參數(shù)，如流量，則不宜采用。三、算術(shù)平均值濾波這種方法就是在一個采樣期內(nèi)，對信號x的N次測量值進(jìn)行算術(shù)平均，作為時刻k的輸出，即第24頁，共29頁，2023年，2月20日，星期二其中N為采樣次數(shù)，xi為第i次的采樣值。顯然，N越大，平滑度越高，但是靈敏度越低，N的值應(yīng)視具體情況而定。一般流量信號取N=10，壓力信號取N=5，溫度、成份等緩慢變化的信號取N=2。算術(shù)平均值法適用于一般的具有隨機(jī)干擾信號的濾波。它特別適合于信號本身在某一數(shù)值范圍附近作上下波動的情況，如流量、液位等信號的測量。第25頁，共29頁，2023年，2月20日，星期二四、加權(quán)算術(shù)平均值濾波算術(shù)平均值對于N次以內(nèi)所有的采樣值來說，所占的比例是相同的，亦即取每次采樣值的1/N。有時為了提高濾波效果，將各采樣值取不同的比例，然后再相加，此方法稱為加權(quán)平均值法，即：其中其中C0，C1，…，CN-1為各次采樣值的系數(shù)，它體現(xiàn)了各次采樣值在平均值中所占的比例。它可根據(jù)具體情況而定，通常采樣次數(shù)愈靠后，取的比例越大。第26頁，共29頁，2023年，2月20日，星期二五、移動算術(shù)平均值濾波不管是算術(shù)平均值濾波，還是加權(quán)平均值濾波，都需連續(xù)采樣N個數(shù)據(jù)，這種方法適合于有脈動干擾的場合。但是由于必須采樣N次，需要時間較長，可能導(dǎo)致采樣周期和控制周期過長。為了克服這一缺點(diǎn)，可采用滑動平均值濾波法，即在每個采樣周期只采一次，在內(nèi)存單元內(nèi)依次存放N次采樣值，每采進(jìn)一個新數(shù)據(jù)，就將最早采集的那個數(shù)據(jù)丟掉，然后求包含新值在內(nèi)的N個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值或加權(quán)平均值