微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用軟件01常用控制程序設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件概述02微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件概述常用控制程序設(shè)計(jì)微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件概述微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件是指操作系統(tǒng)（DOS，Windows）。它提供了程序運(yùn)行的環(huán)境（不同的操作系統(tǒng)下有不同的人機(jī)界面），以及各種設(shè)計(jì)語(yǔ)言、算法庫(kù)、工具軟件。一般這些軟件由專(zhuān)業(yè)廠商以產(chǎn)品形式向用戶(hù)提供。應(yīng)用軟件是用戶(hù)為完成特定的任務(wù)而編寫(xiě)的各種程序的總稱(chēng)。一般需要應(yīng)用單位根據(jù)不同的控制對(duì)象和不同的控制任務(wù)組織專(zhuān)門(mén)人員進(jìn)行編寫(xiě)?？刂茖?duì)象的差異性使對(duì)應(yīng)用軟件的要求也有很大的差別。一般在工業(yè)控制系統(tǒng)中，針對(duì)每個(gè)控制對(duì)象，為完成相應(yīng)的控制任務(wù)，都要求配置相應(yīng)的專(zhuān)門(mén)控制程序，才能使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮采用何種語(yǔ)言進(jìn)行編程，是用匯編語(yǔ)言、C語(yǔ)言還是VisualBASIC等；盡管用匯編語(yǔ)言設(shè)計(jì)的程序執(zhí)行速度最快，程序代碼最短，但由于匯編語(yǔ)言是低級(jí)語(yǔ)言，使用匯編語(yǔ)言編程是一件很麻煩的事情，尤其是進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算或結(jié)果演示時(shí)更為復(fù)雜。因此，只有對(duì)程序執(zhí)行的時(shí)間要求十分苛刻時(shí)，才考慮使用匯編語(yǔ)言。一般情況，開(kāi)發(fā)人員都使用結(jié)構(gòu)化較強(qiáng)的C語(yǔ)言作為開(kāi)發(fā)工具。對(duì)于涉及微機(jī)硬件接口技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，普遍認(rèn)為C語(yǔ)言與匯編語(yǔ)言的混合編程是最佳的軟件設(shè)計(jì)方法。本章主要涉及一些常用應(yīng)用程序，因此只介紹使用C語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了使敘述的方法具有通用性，討論中不涉及具體系統(tǒng)。本章還結(jié)合流程圖，給出了一些源程序代碼，以便于初學(xué)者自學(xué)?；竟δ軕?yīng)用軟件隨應(yīng)用領(lǐng)域的不同而不同。目前，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，應(yīng)用軟件除控制生產(chǎn)過(guò)程之外，還對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)管理。主要功能如下：（1）控制程序控制程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制，它根據(jù)各種各樣的控制算法和千差萬(wàn)別的被控對(duì)象的具體情況來(lái)編寫(xiě)，控制程序的主要目標(biāo)是滿(mǎn)足系統(tǒng)的性能指標(biāo)。常用的有數(shù)字式PID調(diào)節(jié)控制程序、最優(yōu)控制算法程序、順序控制及插補(bǔ)運(yùn)算程序等。（2）數(shù)據(jù)采集及處理程序它主要包括數(shù)據(jù)可靠性檢查程序，用來(lái)檢查是可靠輸入數(shù)據(jù)還是故障數(shù)據(jù)；A/D轉(zhuǎn)換及采樣程序；數(shù)字濾波程序，用來(lái)濾除干擾造成的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)或不宜使用的數(shù)據(jù)；線性化處理程序，對(duì)檢測(cè)元件或變送器的非線性用軟件補(bǔ)償。（3）巡回檢測(cè)程序除包括數(shù)據(jù)采集程序之外，還包括越限報(bào)警程序，用于在生產(chǎn)中某些量超過(guò)限定值時(shí)報(bào)警；事故預(yù)報(bào)程序，生產(chǎn)中某些量不容許超過(guò)限定值，從這些量的變化趨勢(shì)來(lái)看若有可能超過(guò)限定值，則發(fā)出事故預(yù)報(bào)信號(hào)；畫(huà)出顯示程序，用圖、表在CRT上形象地反映生產(chǎn)狀況。（4）數(shù)據(jù)管理程序這部分程序用于生產(chǎn)管理部分，主要包括統(tǒng)計(jì)報(bào)表程序，按生產(chǎn)管理部門(mén)要求地格式打印各種報(bào)表；產(chǎn)品銷(xiāo)售、生產(chǎn)調(diào)度及庫(kù)存管理程序；產(chǎn)值利潤(rùn)預(yù)測(cè)程序等。應(yīng)用程序設(shè)計(jì)步驟應(yīng)用程序設(shè)計(jì)通常分為五個(gè)步驟：?jiǎn)栴}定義、程序設(shè)計(jì)、編碼、調(diào)試、維護(hù)和再設(shè)計(jì)等。問(wèn)題的定義是確定控制任務(wù)對(duì)微型機(jī)控制系統(tǒng)的要求，它包括定義輸入和輸出、處理要求、系統(tǒng)具體指標(biāo)（如執(zhí)行時(shí)間、精度、響應(yīng)時(shí)間等）以及出錯(cuò)處理方法等.程序設(shè)計(jì)是指把所定義的問(wèn)題用程序的方式對(duì)控制任務(wù)進(jìn)行描述。這一步要用到流程圖和模塊程序、自頂向下設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)程序等程序設(shè)計(jì)技術(shù).手編程序是把設(shè)計(jì)框圖變成計(jì)算機(jī)能接受的指令。實(shí)時(shí)控制中通常采用C語(yǔ)言編寫(xiě)源代碼。查錯(cuò)也稱(chēng)程序驗(yàn)證，它用來(lái)發(fā)現(xiàn)編程中的錯(cuò)誤。在查錯(cuò)階段可以利用諸如查錯(cuò)程序、斷點(diǎn)、跟蹤、模擬程序，邏輯分析器以及聯(lián)機(jī)仿真器等手段。應(yīng)用程序設(shè)計(jì)步驟測(cè)試也稱(chēng)程序正確性確認(rèn)，通過(guò)測(cè)試保證程序正確完成要求的任務(wù)。在測(cè)試這一步要注意選擇正確的測(cè)試數(shù)據(jù)和測(cè)試方法。文件編制用流程圖、注釋、存儲(chǔ)器分配說(shuō)明等方法來(lái)描述程序并形成文件，以便于用戶(hù)和操作人員了解。維護(hù)和再設(shè)計(jì)是對(duì)程序進(jìn)行維護(hù)、改進(jìn)和擴(kuò)充，以解決現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備發(fā)生的問(wèn)題，有時(shí)還要有特殊的診斷手段（或程序）及維護(hù)手段，有時(shí)為滿(mǎn)足新的要求和處理任務(wù)，可能需要改進(jìn)或擴(kuò)充程序。應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的每一步往往是相互影響的。問(wèn)題定義時(shí)，必須考慮到測(cè)試方案、形成文件的標(biāo)準(zhǔn)和程序的可擴(kuò)展性。設(shè)計(jì)者往往同時(shí)在幾個(gè)步驟上進(jìn)行設(shè)計(jì)，如手編程序、查錯(cuò)、文件編制可能同時(shí)進(jìn)行。顯然，應(yīng)用程序設(shè)計(jì)所涉及的內(nèi)容相當(dāng)廣泛，這里只能介紹一些基本的概念。程序設(shè)計(jì)方法

程序設(shè)計(jì)方法是指程序設(shè)計(jì)的某種規(guī)程和準(zhǔn)則。通常有模塊化程序、自頂向下程序設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)等幾種方法。1.模塊化程序設(shè)計(jì)模塊化程序設(shè)計(jì)是把一個(gè)較長(zhǎng)的完整程序分成若干個(gè)小的程序或模塊，在分別進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)、編程、測(cè)試和查錯(cuò)之后，最終裝配在一起，聯(lián)結(jié)成一個(gè)大的程序。程序模塊通常是按功能劃分的。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)中，這種劃分方法特別有用。模塊化程序設(shè)計(jì)技術(shù)有一些明顯的優(yōu)點(diǎn)。單個(gè)模塊要比一個(gè)完整程序更易編寫(xiě)、查錯(cuò)和測(cè)試，并能為其它程序重復(fù)使用。模塊化程序設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是在把模塊裝配成一個(gè)大程序時(shí)，要對(duì)各模塊進(jìn)行連接，以完成模塊之間的信息傳送，此外，為進(jìn)行模塊測(cè)試和程序測(cè)試，還要編寫(xiě)測(cè)試模塊程序用的測(cè)試程序。使用模塊化程序設(shè)計(jì)所占用的內(nèi)存容量也較多。如果很難把程序模塊化，或者有較多的特殊情況需要處理，或者使用了大量變量（每個(gè)也都需要待別處理），則說(shuō)明問(wèn)題定義得不好。為此，需要重新定義任務(wù)。

程序設(shè)計(jì)方法2.自頂向下程序設(shè)計(jì)自頂向下程序設(shè)計(jì)是在程序設(shè)計(jì)時(shí)，先從系統(tǒng)一級(jí)的管理程序（或者主程序）開(kāi)始設(shè)計(jì)，從屬的程序或者子程序用一些程序標(biāo)志來(lái)代替。當(dāng)系統(tǒng)一級(jí)的程序編好后，再將各標(biāo)志擴(kuò)展成從屬程序或子程序，最后完成整個(gè)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。這種程序設(shè)計(jì)過(guò)程大致有以下幾步：（1）寫(xiě)出管理程序并進(jìn)行測(cè)試。尚未確定的子程序用程序標(biāo)志來(lái)代替，但必須在特定的測(cè)試條件下產(chǎn)生與原定的程序相同的結(jié)果；（2）對(duì)每一個(gè)程序標(biāo)志進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，使它成為實(shí)際的工作程序。這個(gè)過(guò)程是與測(cè)試和查錯(cuò)同時(shí)進(jìn)行的；（3）對(duì)最后的整個(gè)程序進(jìn)行測(cè)試。自頂向下設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)、測(cè)試相連結(jié)同時(shí)按一個(gè)線索進(jìn)行，矛盾和問(wèn)題可以較早發(fā)現(xiàn)和解決。而且，測(cè)試能夠完全按真實(shí)的系統(tǒng)環(huán)境來(lái)進(jìn)行，不需要依賴(lài)于測(cè)試程序。它是將程序設(shè)計(jì)、手編程序和測(cè)試這幾步結(jié)合在一起的一種設(shè)計(jì)方法。自頂向下設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)主要是上一級(jí)的錯(cuò)誤將對(duì)整個(gè)程序產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，一處修改有可能牽動(dòng)全局，引起對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行全面修改。另外，總的設(shè)計(jì)可能同系統(tǒng)硬件不能很好配合，不一定能充分利用現(xiàn)成軟件。自頂向下設(shè)計(jì)比較習(xí)慣于人們?nèi)粘５乃季S，而且研制應(yīng)用程序的幾個(gè)步驟可以同時(shí)結(jié)合進(jìn)行，因而能提高研制效率。

程序設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的方法給程序設(shè)計(jì)施加了一定的約束，它限制采用規(guī)定的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和操作順序。因此，能夠編寫(xiě)出操作順序分明、便于查錯(cuò)和糾正錯(cuò)誤的程序。這些方法指出，任何程序邏輯都可用順序、條件和循環(huán)三種結(jié)構(gòu)來(lái)表示。（1）順序結(jié)構(gòu)順序結(jié)構(gòu)的流程圖如圖7-2所示。在這種結(jié)構(gòu)中，計(jì)算機(jī)按順序先執(zhí)行P1，然后執(zhí)行P2，最后執(zhí)行P3。其中P1、P2、P3可以是一條指令，但也可以是一段程序。程序設(shè)計(jì)方法（2）條件結(jié)構(gòu)條件結(jié)構(gòu)流程圖如圖7-3所示，當(dāng)條件滿(mǎn)足時(shí)，計(jì)算機(jī)執(zhí)行P1，否則執(zhí)行P2。在這種結(jié)構(gòu)中，P1和P2都只有一個(gè)入口和一個(gè)出口。（3）循環(huán)結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的循環(huán)結(jié)構(gòu)有兩種，如圖7-4所示。在圖7-4a所示的循環(huán)結(jié)構(gòu)中，計(jì)算機(jī)先執(zhí)行循環(huán)操作P，然后判斷條件是否滿(mǎn)足，若條件滿(mǎn)足，程序繼續(xù)循環(huán)，若條件不滿(mǎn)足，則停止循環(huán)。而圖7-4b所示的循環(huán)結(jié)構(gòu)中，計(jì)算機(jī)先執(zhí)行條件判斷語(yǔ)句，只有在條件滿(mǎn)足的情況下才能循環(huán)操作P。

程序設(shè)計(jì)方法利用上述幾種基本結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)成任何功能的程序。結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：

由于每個(gè)結(jié)構(gòu)只有一個(gè)入口和一個(gè)出口，故程序的執(zhí)行順序易于跟蹤，給程序查錯(cuò)和調(diào)試帶來(lái)很大的方便。

由于基本結(jié)構(gòu)是限定的，故易于裝配成模塊。

易于用程序框圖來(lái)描述。

程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言選擇計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，可以采用機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言或一些高級(jí)語(yǔ)言（如：BASIC、FORTRAN、PASCAL、C以及C++）。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)自身的技術(shù)進(jìn)步和計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言功能的擴(kuò)展使得這樣的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)方法得以實(shí)現(xiàn)。首先，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的基本系統(tǒng)與廣泛使用著的個(gè)人計(jì)算機(jī)基本上是兼容的；其次，各種高級(jí)語(yǔ)言也都具備了輸入輸出口的操作語(yǔ)句，并具備了對(duì)內(nèi)存的直接存取功能。這樣，應(yīng)用程序中許多需要對(duì)輸入輸出口的操作就可以用高級(jí)語(yǔ)言的相應(yīng)語(yǔ)句來(lái)編寫(xiě)。在各種高級(jí)語(yǔ)言中，應(yīng)選擇結(jié)構(gòu)化的語(yǔ)言，例如PASCAL、C等，而非結(jié)構(gòu)化的語(yǔ)言，例如BASIC、FORTRAN等，不能寫(xiě)出結(jié)構(gòu)化強(qiáng)、模塊清晰的程序，不適合于編制控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序。一些高級(jí)語(yǔ)言已經(jīng)具備調(diào)用匯編語(yǔ)言子程序的功能，這樣就可以用匯編語(yǔ)言編制那些要求執(zhí)行速度快的過(guò)程。一般是將匯編語(yǔ)言子程序作為一個(gè)外部過(guò)程來(lái)由高級(jí)語(yǔ)言調(diào)用，實(shí)現(xiàn)參數(shù)傳送的功能。在具體編制調(diào)用程序的時(shí)候，要嚴(yán)格按照高級(jí)語(yǔ)言的規(guī)定編寫(xiě)，以便能夠正確地調(diào)用與返回?，F(xiàn)在，面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)比結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)在效率方面顯得更高一些，例如把C語(yǔ)言擴(kuò)充為面向?qū)ο蟮腃＋＋語(yǔ)言。實(shí)際上C＋＋語(yǔ)言是在C語(yǔ)言中增加了一個(gè)消息表達(dá)式，從而增加了新的表達(dá)式類(lèi)型。一些版本的C＋＋語(yǔ)言的編譯程序?qū)嶋H上是一個(gè)轉(zhuǎn)換器，先將C＋＋源程序轉(zhuǎn)換成C源程序，然后再進(jìn)行編譯。微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)軟件概述常用控制程序設(shè)計(jì)報(bào)警程序設(shè)計(jì),,

由采樣讀入的數(shù)據(jù)或經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后的數(shù)據(jù)是否超出工藝參數(shù)的范圍，計(jì)算機(jī)要加以判別，如果超越了規(guī)定數(shù)值，就需要通知操作人員采取相應(yīng)的措施，確保生產(chǎn)的安全。越限報(bào)警是工業(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。報(bào)警程序設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，它主要采用比較法，把采樣并經(jīng)數(shù)字濾波以及標(biāo)度變換后的被測(cè)參數(shù)值與給定的上下限值進(jìn)行比較。如果需要報(bào)警的參數(shù)是xn，該參數(shù)的上下限約束值分別是xmax，xmin，則上下限報(bào)警的物理意義如下：（1）上限報(bào)警若xn>xmax，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xn<xmin，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xn>xmax，則上限報(bào)警，否則對(duì)下式做判別。若xn<xmin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)狀態(tài)變量y、偏差e以及輸出u進(jìn)行上下限檢查。報(bào)警程序設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中，為了避免測(cè)量值在極限值附近擺動(dòng)造成頻繁的報(bào)警，因此在上、下限附近設(shè)定一個(gè)回差帶，如圖所示在中，H是上限帶，L為下限帶。規(guī)定只有當(dāng)測(cè)量值越過(guò)A點(diǎn)時(shí)，才算越上限，測(cè)量值穿越帶區(qū)，下降到B點(diǎn)以下才算復(fù)限。同樣的道理，測(cè)量值在L帶區(qū)內(nèi)擺動(dòng)，均不做處理，只有它低于C點(diǎn)值時(shí)，被認(rèn)為越下限，經(jīng)調(diào)節(jié)，回歸于D點(diǎn)之上時(shí)，才作越下限后復(fù)位處理。它的基本思想就是將采樣、數(shù)字濾波后的數(shù)據(jù)與該被測(cè)點(diǎn)上下限給定值進(jìn)行比較，檢查是否越限；或者與上限復(fù)位值、下限復(fù)位值進(jìn)行比較，檢查是否復(fù)限。如越限，則分別置上、下限標(biāo)志，并輸出相應(yīng)的聲光報(bào)警信號(hào)。如復(fù)限，則清除相應(yīng)標(biāo)志。報(bào)警程序設(shè)計(jì)報(bào)警程序設(shè)計(jì)程序清單為：//函數(shù)名：Alarm//入口參數(shù)：X－采樣值//出口參數(shù)：無(wú)//描述：讀者可以根據(jù)自己的硬件系統(tǒng)，修改端口地址、報(bào)警值上下限以及復(fù)限帶區(qū)寬度#definePORT0FFFF//報(bào)警端口地址#defineBoundMax50//報(bào)警上限值#defineBoundMin10//報(bào)警下限值#defineRoomH4//報(bào)警上限帶區(qū)寬度：H#defineRoomL4//報(bào)警下限帶區(qū)寬度：LintAlarmUpFlag//上限報(bào)警標(biāo)志intAlarmDownFlag//下限報(bào)警標(biāo)志

報(bào)警程序設(shè)計(jì)voidAlarm(doubleX){if(X>BoundMax+RoomH/2)//超上限

if(AlarmUpFlag==0)//超上限標(biāo)志未置位

{ AlarmUpFlag=1;//置位

outport(PORT,1);//輸出報(bào)警模型

return;//返回

}elseif(X<(BoundMax-RoomH/2)//復(fù)上限{ if(AlarmUpFlag==1)AlarmUpFlag=0;//清除超上限報(bào)警標(biāo)志

elseif(X<BoundMin-RoomL/2)//超下限

if(AlarmDownFlag==0)//超下限標(biāo)志未置位

報(bào)警程序設(shè)計(jì){ AlarmDownFlag=1;//置位

outport(PORT,1);//輸出報(bào)警模型

return;//返回

}elseif(X>BoundMin+RoomL/2)//復(fù)下限

if(AlarmDownFlag==1)AlarmDownFlag=0;//清除超下限標(biāo)志}}

數(shù)字濾波程序設(shè)計(jì),,

隨機(jī)誤差是由竄入檢測(cè)系統(tǒng)或控制系統(tǒng)的隨機(jī)干擾引起的，這種誤差是指在相同條件下測(cè)量同一量時(shí)，其大小和符號(hào)作無(wú)規(guī)則的變化而無(wú)法預(yù)測(cè)、但在多次測(cè)量中它是符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的。為了克服隨機(jī)干擾引入的誤差、除了可以采用硬件辦法，還可以按統(tǒng)計(jì)規(guī)律用軟件算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，即采用數(shù)字濾波方法來(lái)抑制有效信號(hào)中的干擾成分，消除隨機(jī)誤差，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行必要的平滑處理，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

與模擬濾波器相比較，數(shù)字濾波算法具有如下的優(yōu)點(diǎn)：

節(jié)約硬件成本。數(shù)字濾波只是一個(gè)濾波程序，無(wú)需硬件，而且一個(gè)濾波程序可用于多處和很多通道，無(wú)需每個(gè)通道專(zhuān)設(shè)一個(gè)濾波器，因此，大大節(jié)約硬件成本。

可靠穩(wěn)定。數(shù)字濾波只是一個(gè)計(jì)算過(guò)程，因此可靠性高，不存在阻抗匹配問(wèn)題。

功能強(qiáng)。數(shù)字濾波可以對(duì)頻率很高或很低的信號(hào)進(jìn)行濾波，這是模擬濾波器所不及的。

方便靈活。只要適當(dāng)改變軟件濾波器的濾波程序和運(yùn)算參數(shù)，即可改變?yōu)V波特性。

不會(huì)丟失原始數(shù)據(jù)。下面介紹幾種常用數(shù)字濾波算法。

程序判斷法,,

許多物理量的變化都需要一定的時(shí)間，相鄰兩次采樣值之間的變化有一定的限度。程序判斷濾波的方法，是根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定出相鄰兩次采樣信號(hào)之間可能出現(xiàn)的最大偏差，若超過(guò)此偏差值，則表明該輸入信號(hào)是干擾信號(hào)，應(yīng)該去掉；如小于此偏差值，可將該信號(hào)作為本次采樣值。當(dāng)采樣信號(hào)由于隨機(jī)干擾，如大功率用電設(shè)備的啟動(dòng)或停止，造成電流的尖峰干擾或誤檢測(cè)，以及變送器不穩(wěn)定而引起的嚴(yán)重失真等，可采用程序判斷法進(jìn)行濾波。程序判斷濾波根據(jù)濾波方法不同，可以分為：限幅濾波和限速濾波兩種。限幅濾波

基本方法是把兩次相鄰的采樣值相減，求出其增量（以絕對(duì)值表示），然后與兩次采樣容許的最大差值（由被控對(duì)象的實(shí)際情況決定）進(jìn)行比較，若小于等于，則取本次采樣值；若大于，則仍取上次采樣值作為本次采樣值，即：

應(yīng)用這種方法時(shí)，關(guān)鍵是值的選擇。過(guò)程的動(dòng)態(tài)持性決定其輸出參數(shù)的變化速度，通常按照參數(shù)可能的最大變化速度及采樣周期T來(lái)決定值。即：

限速濾波

假定順序采樣時(shí)刻：所采樣的信號(hào)為：，則限速濾波的物理意義是：

在實(shí)際使用中，可用代替，這樣，雖增加了運(yùn)算量，但靈活性提高了。限速濾波

限速濾波

程序清單為：//函數(shù)名：LimitFilter//入口參數(shù)：*Y－采樣值數(shù)組首地址//出口參數(shù)：濾波值//描述：設(shè) Y1、Y2、Y3放在以*Y為首地址的單元中，濾波結(jié)果放在temp中#include"math.h"doubleLimitFilter(double*Y){ doubleDeltaY,temp; DeltaY=(fabs(*(Y+1)-*(Y))+fabs(*(Y+2)-*(Y+1)))/2;//計(jì)算DeltaY if(fabs(*(Y+1)-*(Y))<=DeltaY)//Y1與Y2比較

temp=*(Y+1); elseif(fabs(*(Y+2)-*(Y+1))<=DeltaY)//Y3與Y2比較

temp=(*(Y+2)+*(Y+1))/2; else temp=*(Y+2);returntemp;}

中位值濾波法

×——各個(gè)采樣值；虛線——真實(shí)信號(hào)

a：一次干擾情況

b：兩次異向干擾情況

c：兩次同向干擾情況

d：三次干擾情況

中位值濾波法

中位值濾波法就是對(duì)某一被測(cè)參數(shù)連續(xù)采樣N次（一般N取奇數(shù)），然后把N次采樣值按大小排隊(duì)，取中間值為本次采樣值。中位值濾波能有效地克服因偶然因素引起的波動(dòng)或采樣器不穩(wěn)定引起的誤碼等造成的脈沖干擾。對(duì)溫度、液位等緩慢變化的被測(cè)參數(shù)采用此法能收到良好的濾波效果，但對(duì)于流量、壓力等快速變化的參數(shù)一般不宜采用中位值濾波算法。從圖7-8可以看出N＝3時(shí)采樣的中位值濾波的濾波效果。如果三次采樣中有一次發(fā)生干擾，則不管這個(gè)干擾發(fā)生在什么位置，都將被刪除掉（如圖7-8a所示）。當(dāng)三次采樣中有兩次發(fā)生脈沖干擾時(shí)，若這兩次干擾是異向作用（如圖7-8b所示），則同樣可以濾掉這兩次干擾，取得準(zhǔn)確值；若這兩次干擾是同向作用（如圖7-8c所示），或發(fā)生如圖7-8d所示的三次干擾時(shí)，中位值濾波便顯得無(wú)能為力，以致會(huì)把錯(cuò)誤信息送入計(jì)算機(jī)中。中位值濾波法中位值濾波程序設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是，首先將N個(gè)采樣值從小到大或從大到小進(jìn)行排隊(duì)，然后再取中間值。N個(gè)數(shù)據(jù)按大小排序采用“冒泡法”（也叫大數(shù)沉底法），其流程圖如圖7-9所示：中位值濾波法doubleMiddleFilter(double*X,intN){ inti,j; doublet;//定義臨時(shí)之間變量

for(i=0;i<N-1;i++)//N-1次循環(huán)

for(j=0;j<N-1-i;j++) if(*(X+j)>*(X+j+1))//如果前一個(gè)數(shù)大于后一個(gè)數(shù)，則相互交換數(shù)值

{ t=*(X+j); *(X+j)=*(X+j+1); *(X+j+1)=t; } return*(X+(N-1)/2);//返回中間值

}

算術(shù)平均濾波法

算術(shù)平均濾波是要按輸入的N個(gè)采樣數(shù)據(jù),尋找這樣一個(gè)，使與各采樣值之間的偏差的平方和最小，即：（7-3）

由一元函數(shù)求極值的原理可得：（7-4）

算術(shù)平均濾波法

算術(shù)平均濾波法適用于對(duì)一般具有隨機(jī)干擾的信號(hào)進(jìn)行濾波。這種信號(hào)的特點(diǎn)是有一個(gè)平均值，信號(hào)在某一數(shù)值范圍附近作上下波動(dòng)，在這種情況下僅取一個(gè)采樣值作依據(jù)顯然是不準(zhǔn)確的，算術(shù)平均濾波法對(duì)信號(hào)的平滑程度完全取決于N值。當(dāng)N值較大時(shí)，平滑度高，但靈敏度低；當(dāng)N值較小時(shí)，平滑度低，但靈敏度高。應(yīng)視具體情況選取N值，以便既少占用計(jì)算時(shí)間，又達(dá)到最好的效果。對(duì)于一般流量測(cè)量，常取N=12；若為壓力，則取N=4。算術(shù)平均濾波法

算術(shù)平均濾波程序可直接按上述算法編制，只需要注意兩點(diǎn)：（1）是yn的輸入方法，對(duì)于定時(shí)測(cè)量，為了減少數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)容量，可對(duì)測(cè)得的y值直接按公式進(jìn)行計(jì)算，但對(duì)于某些應(yīng)用場(chǎng)合，為了加快數(shù)據(jù)測(cè)量的速度，可采用先測(cè)量數(shù)據(jù)、并把它們存放在存儲(chǔ)器中，測(cè)量完N點(diǎn)后，再對(duì)測(cè)得的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算。（2）是選取適當(dāng)?shù)膟n、y的數(shù)據(jù)格式，即確定yn、y是定點(diǎn)數(shù)還是浮點(diǎn)數(shù)。采用浮點(diǎn)數(shù)計(jì)算比較方便，但計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)；采用定點(diǎn)數(shù)可加快計(jì)算速度，但是必須考慮累加時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生溢出。

算術(shù)平均濾波法

算術(shù)平均濾波法

程序清單為：//函數(shù)名：AverageFilter//入口參數(shù)：N－采樣值個(gè)數(shù)，*Y－采樣值數(shù)組首地址//出口參數(shù)：平均值（濾波值）//描述：求累加和，再取平均。采樣值放在以Y為首地址的數(shù)組中doubleAverageFilter(double*Y,intN){ inti; doubletemp; temp=0; for(i=0;i<N;i++) temp=temp+*(Y+i);//求N個(gè)采樣值的累加和

temp=temp/N;returntemp;//返回平均值}

遞推平均濾波法

前面的算術(shù)平均濾波法，每計(jì)算一次數(shù)據(jù)，需測(cè)量N次。對(duì)于測(cè)量速度較慢或要求數(shù)據(jù)計(jì)算速率較高的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，此方法是無(wú)法使用的。例如某A/D芯片轉(zhuǎn)換速率為每秒10次，而要求每秒輸入4次數(shù)據(jù)時(shí)，則N不能大于2。下面介紹一種只需進(jìn)行一次測(cè)量，就能得到當(dāng)前算術(shù)平均濾波值的方法——遞推平均濾波法。遞推平均濾波法是把N個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)看成一個(gè)隊(duì)列。隊(duì)列的長(zhǎng)度固定為N，每進(jìn)行一次新的測(cè)量，把測(cè)量結(jié)果放入隊(duì)尾，而扔掉原來(lái)隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)，這樣在隊(duì)列中始終有N個(gè)“最新”的數(shù)據(jù)。計(jì)算濾波值時(shí)，只要把隊(duì)列中的N個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，就可得到新的濾波值。這樣每進(jìn)行一次測(cè)量、就可計(jì)算得到一個(gè)新的平均濾波值。這種濾波算法稱(chēng)為遞推歸平均濾波法，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：遞推平均濾波法

參數(shù)流量壓力液面溫度N值1244～121～4

第n次采樣的N項(xiàng)遞推平均值是n，n-1，…，n-N+1次采樣值的平均值，它與算術(shù)平均法相似。遞推平均濾波法對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，靈敏度低；但對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾的抑制作用差，不易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差，因此它不適用于脈沖干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合，而適用于高頻振蕩的系統(tǒng)。通過(guò)觀察不同N值下遞推平均的輸出響應(yīng)來(lái)選取N值；以便既少占用計(jì)算機(jī)時(shí)間，又能達(dá)到最好的濾波效果。其工程經(jīng)驗(yàn)值列于表7-1中遞推平均濾波法

//函數(shù)名：PushFilter//入口參數(shù)：N－采樣值個(gè)數(shù)，*Y－過(guò)去采樣值數(shù)組首地址，Yn－當(dāng)前采樣值//出口參數(shù)：平均值（濾波值）//描述：向前遞推采樣值數(shù)組，然后把當(dāng)前采樣值放到隊(duì)列末尾，再求累加和，取平均。doublePushFilter(double*Y,intN,doubleYn){ inti; doubletemp; temp=0; for(i=0;i<N-1;i++) *(Y+i)=*(Y+i+1);//向前遞推采樣值數(shù)組 *(Y+N-1)=Yn;//當(dāng)前采樣值放到隊(duì)列末尾 for(i=0;i<N;i++) temp=temp+*(Y+i); temp=temp/N;//求平均值returntemp;//返回平均值}加權(quán)遞推平均濾波法

在算術(shù)平均濾波法和遞推平均濾波法中，N次采樣值在輸出結(jié)果中的比重是均等的，即1/N。用這樣的濾波算法，對(duì)于時(shí)變信號(hào)會(huì)引入滯后，N越大、滯后越嚴(yán)重。為了增加新采樣數(shù)據(jù)在遞推平均中的比重，以提高系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前采樣值中所受干擾的靈敏度，可采用加權(quán)遞推平均濾波算法。它是遞推平均濾波算法的改進(jìn)，即不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)加以不同的權(quán)，通常越接近現(xiàn)時(shí)刻的數(shù)據(jù)，權(quán)取得越大。N項(xiàng)加權(quán)遞推平均濾波算法為：故加權(quán)遞推平均濾波算法適用于有較大純滯后時(shí)間常數(shù)γ的對(duì)象和采樣周期較短的系統(tǒng)。而對(duì)于純滯后時(shí)間常數(shù)較小、采樣周期較長(zhǎng)、緩慢變化的信號(hào)，則不能迅速反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)前所受干擾的嚴(yán)重程度，濾波效果差。一階慣性濾波法在模擬量輸入通道等硬件電路中，常用一階慣性RC模擬濾波器來(lái)抑制干擾（如圖7-12所示），當(dāng)用這種模擬方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)低頻干擾的濾波時(shí)，首先遇到的問(wèn)題是要求濾波器有大的時(shí)間常數(shù)和高精度的RC網(wǎng)絡(luò)。時(shí)間常數(shù)越大，要求R值越大，其漏電流也隨之增大、從而使RC網(wǎng)絡(luò)的誤差增大和設(shè)備的體積增大，降低了濾波效果。而一階慣性濾波算法是一種以數(shù)字形式通過(guò)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的RC濾波方法，它能很好地克服上述模擬濾波器的缺點(diǎn)，在濾波常數(shù)要求大的場(chǎng)合，此法更為實(shí)用。由圖7-12不難得出模擬低通濾波器的傳遞函數(shù)，即：離散化后，可得：濾波器的時(shí)間常數(shù)較大時(shí)。上述算法便等價(jià)于一般的模擬濾波器。一階慣性濾波法一階慣性濾波算法對(duì)周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動(dòng)頻繁的參數(shù)濾波，其不足之處是帶來(lái)了相位滯后，靈敏度低。滯后的程度取決于值的大小。同時(shí)，它不能濾除頻率高于采樣頻率二分之一（稱(chēng)為奈奎斯特頻率）的干擾信號(hào)。例如采樣頻率為100Hz、則它不能濾去50Hz以上的干擾信號(hào)。對(duì)于高于奈奎斯特頻率的干擾信號(hào)，應(yīng)該采用模擬濾波器。//函數(shù)名：OneStepFilter//入口參數(shù)：Yn－過(guò)去采樣值，Yn1－當(dāng)前采樣值//出口參數(shù)：濾波值//描述：按公式計(jì)算濾波值，并返回。#defineAlfa0.3doubleOneStepFilter(doubleYn1,doubleYn){ doubletemp; temp=Alfa*Yn1+(1-Alfa)*Yn; returntemp;}復(fù)合濾波法在實(shí)際應(yīng)用中，所面臨的隨機(jī)擾動(dòng)往往不是單一的，有時(shí)既要消除脈沖干擾，又要作數(shù)據(jù)平滑。因此常把前面所介紹的兩種以上的方法結(jié)合起來(lái)使用，形成復(fù)合濾波。例如防脈沖擾動(dòng)平均值濾波算法就是一種應(yīng)用實(shí)例。這種算法的特點(diǎn)是先用中位值濾波算法濾掉采樣值中的脈沖性干擾，然后把剩余的各采樣值進(jìn)行遞推平均濾波。其基本算法如下：復(fù)合濾波法

如果：，其中（和分別是所有采樣值中的最小值和最大值），則：（7-11）由于這種濾波算法兼容了遞推平均濾波算法和中值濾波算法的優(yōu)點(diǎn)，所以，無(wú)論是對(duì)緩慢變化的過(guò)程變量，還是對(duì)快速變化的過(guò)程變量、都能起到較好的濾波效果。程序流程圖如圖7-13所示復(fù)合濾波法復(fù)合濾波法程序清單為：//函數(shù)名：ComplexFilter//入口參數(shù)：N－采樣值個(gè)數(shù)，*X－采樣值數(shù)組首地址//出口參數(shù)：濾波值//描述：先排序，后求和，再取平均doubleComplexFilter(double*X,intN){ inti,j; doubletemp;//定義臨時(shí)之間變量 for(i=0;i<N-1;i++)//N-1次循環(huán) for(j=0;j<N-1-i;j++) if(*(X+j)>*(X+j+1))//如果前一個(gè)數(shù)大于后一個(gè)數(shù)，則相互交換數(shù)值 { temp=*(X+j); *(X+j)=*(X+j+1); *(X+j+1)=temp; } temp=0; for(i=1;i<N-1;i++) temp=temp+*(X+i);//求N-2個(gè)采樣值的累加和 temp=temp/(N-2);returntemp;//返回平均值}各種數(shù)字濾波性能的比較

以上介紹了七種數(shù)字濾波方法，讀者可根據(jù)需要設(shè)計(jì)出更多的數(shù)字濾波程序，每種濾波程序都有各自的特點(diǎn)，可根據(jù)具體的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行合理的選用。（1）濾波效果一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于變化比較慢的參數(shù)，如溫度，可選用程序判斷濾波及一階慣性濾波方法。對(duì)于那些變換比較快的脈沖參數(shù)，如壓力、流量等，則可以選擇算術(shù)平均和加權(quán)平均濾波法，特別是加權(quán)平均濾波方法更好。至于要求比較高的系統(tǒng)，需要用復(fù)合濾波方法。在算術(shù)平均法和加權(quán)平均濾波法中，其濾波效果與所選擇的采樣次數(shù)N有關(guān)，N越大，則濾波效果越好，但花費(fèi)的時(shí)間也越長(zhǎng)。（2）濾波時(shí)間在考慮濾波效果的前提下，應(yīng)盡量采用執(zhí)行時(shí)間比較短的程序，若計(jì)算機(jī)時(shí)間容許，可采用效果更好的復(fù)合濾波程序。注意，在熱工和化工過(guò)程DDC系統(tǒng)中，數(shù)字濾波并非一定需要，要根據(jù)具體情況，經(jīng)過(guò)分析、實(shí)驗(yàn)加以選用。不適當(dāng)?shù)貞?yīng)用數(shù)字濾波，反而會(huì)降低控制效果，以致失控，因此必須注意。各種數(shù)字濾波性能的比較序號(hào)濾波方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)1限幅濾波法有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾無(wú)法抑制周期性的干擾，平滑度差2中位值濾波法有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾，對(duì)溫度、液位變化緩慢的被測(cè)參數(shù)有良好的濾波效果不宜用于流量、速度等快速變化的參數(shù)3算術(shù)平均濾波法適用于具有隨機(jī)干擾的信號(hào)。該方法有一個(gè)均值，信號(hào)某一數(shù)值范圍附近上下波動(dòng)不適用對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算速度較快的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，比較浪費(fèi)RAM4遞推平均濾波法對(duì)周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，適用于高頻振蕩系統(tǒng)靈敏度低，對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖性干擾抑制作用較差，不易消除由于脈沖干擾所引起的采樣偏差5加權(quán)遞推平均濾波法適用于有較大滯后時(shí)間常數(shù)的對(duì)象和采樣周期較短的系統(tǒng)對(duì)于純滯后時(shí)間常數(shù)小、采樣周期較長(zhǎng)、變化緩慢的信號(hào)，不能迅速反映系統(tǒng)當(dāng)前所受干擾的嚴(yán)重程度，濾波效果差6一階慣性濾波法對(duì)周期性干擾具有良好的抑制作用，適用于波動(dòng)頻率較高的場(chǎng)合相位滯后，靈敏度低，滯后程度取決于α值大小，不能消除頻率高于采樣頻率的1/2的干擾信號(hào)線性化處理程序設(shè)計(jì)

在實(shí)際的控制系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)從模擬量輸入通道得到的有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)與源信號(hào)所代表的物理量不一定成線性關(guān)系，而在顯示時(shí)總是希望得到均勻的刻度，即希望系統(tǒng)的輸入與輸出之間為線性關(guān)系，這樣不但讀數(shù)看起來(lái)清楚方便，而且使儀表在整個(gè)范圍內(nèi)靈敏度一致，從而便于讀數(shù)及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析與處理。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，將非線性關(guān)系轉(zhuǎn)化成線性的。這種轉(zhuǎn)化過(guò)程稱(chēng)為線性化處理。常用的補(bǔ)償方法有：計(jì)算法、插值逼近法、折線近似法

計(jì)算法

當(dāng)參數(shù)間的非線性關(guān)系可以用數(shù)學(xué)方程式來(lái)表示時(shí)，計(jì)算機(jī)可按公式進(jìn)行計(jì)算，完成對(duì)非線性補(bǔ)償。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中常遇到的兩個(gè)非線性關(guān)系是溫度與熱電勢(shì)、差壓與流量。如在溫度測(cè)量中常用熱電偶測(cè)量溫度。但其被測(cè)溫度與熱電勢(shì)之間呈非線性關(guān)系，一般熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系（E－T）可用下式表示：

不同的熱電偶材料系數(shù)不一樣。將采樣值代替上式中的E，即可求得溫度輸出值T。查表與插值逼近法

有許多非線性關(guān)系，如指數(shù)、對(duì)數(shù)、三角函數(shù)、積分和微分等，計(jì)算起來(lái)不僅程序長(zhǎng)，而且很費(fèi)機(jī)器時(shí)間；有的關(guān)系也難以用公式來(lái)表達(dá)，這些非線性關(guān)系常以某種數(shù)據(jù)表格給出。為解決這類(lèi)問(wèn)題，可以用查表法。

所謂查表法，就是事先就算好的數(shù)據(jù)按一定順序編制成表格存入計(jì)算機(jī)中，查表程序的任務(wù)就是根據(jù)被測(cè)參數(shù)的值（或中間計(jì)算結(jié)果），查出最后的所需的結(jié)果，這種方法速度快，精度高。查表程序的繁簡(jiǎn)及查詢(xún)時(shí)間的長(zhǎng)短與表格長(zhǎng)短有關(guān)，更重要的一個(gè)因素是與表格的排列方法有關(guān)。一般的表格有二種排列方法：

（1）無(wú)序表格，即表格的排列是任意的，無(wú)一定的順序；（2）有序表格，即表格的排列有一定的順序、如表格中各項(xiàng)按大小順序排列等。查表的方法有：順序查表法、計(jì)算查表法、對(duì)分搜索法等。關(guān)于建表與查表，在程序設(shè)計(jì)或微型計(jì)算機(jī)原理課中都有相關(guān)內(nèi)容，讀者可以去查閱。

查表與插值逼近法

由于存儲(chǔ)容量的限制，有些表格只給出一些稀疏點(diǎn)上的函數(shù)值。而對(duì)任何相鄰兩點(diǎn)中間的函數(shù)值常用插值法近似計(jì)算，最常用的插值法是運(yùn)算量較小的線性插值法和二次插值法。線性插值法的原理如圖7-14

所示。A、B兩點(diǎn)的點(diǎn)斜式直線方程為：

上式稱(chēng)為一次插值多項(xiàng)式，其中：只要有一個(gè)x就能找到相應(yīng)的y值，通常把線性插值公式編制成相應(yīng)的子程序，在調(diào)用前賦入相應(yīng)參數(shù)，直接調(diào)用即可。查表與插值逼近法線性插值有時(shí)誤差較大。因此，可用三點(diǎn)決定的曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)插值。若三點(diǎn)不在一條直線上，通過(guò)三點(diǎn)的曲線（也就是拋物線）求得，故稱(chēng)為拋物線插值（二次插值）。二次插值的公式為：上式可以簡(jiǎn)化：

按此式也不難編出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)子程序，供系統(tǒng)作插值運(yùn)算使用。線性插值運(yùn)算速度快，但精度低。而二次插值精度比一次插值精度高，但速度慢。可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的情況選擇使用。

折線近似法在工程實(shí)踐中，有些非線性規(guī)律不能用數(shù)學(xué)公式精確表達(dá)，只能以某種曲線描述出來(lái)。對(duì)于這些曲線可用折線近似方法求解。折線的每一段都可以看成是線性的。我們把各點(diǎn)輸出值與斜率不同的各小段綜合起來(lái)，就可實(shí)現(xiàn)所需函數(shù)的逼近。

對(duì)于這種方法，只要n值取得足夠大，即分段足夠多，就可以獲得良好的非線性轉(zhuǎn)換精度。曲線分段的方法主要有兩種：（1）等距分段法等距分段法就是等距離選取分段點(diǎn)。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是使計(jì)算簡(jiǎn)化，節(jié)省內(nèi)存。但該方法的缺點(diǎn)是當(dāng)函數(shù)的曲率和斜率變化較大時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。否則，必須把基點(diǎn)分得很細(xì)，這樣勢(shì)必占用更多的內(nèi)存，并使計(jì)算時(shí)間加長(zhǎng)。（2）非等距分段法這種方法的特點(diǎn)是分段點(diǎn)間不是等距的，而是根據(jù)函數(shù)曲線的形狀及其變化曲率的大小來(lái)修正插值間的距離，曲率變化大的，插值間距取小一點(diǎn)；反之，可將插值距離增大一點(diǎn)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以提高精度，但非等距插值點(diǎn)的選取比較麻煩。

標(biāo)度變換程序設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用中，被測(cè)模擬信號(hào)被檢測(cè)出來(lái)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，常需要轉(zhuǎn)換成操作人員所熟悉的工程量。因?yàn)楸粶y(cè)對(duì)象的各種數(shù)據(jù)的量綱與A／D轉(zhuǎn)換的輸入值是不一樣的。例如：溫度的單位為℃，壓力單位為Pa等等。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)的大小，故必須把它轉(zhuǎn)換成帶有量綱的數(shù)值后才能運(yùn)算、顯示或打印輸出，這種轉(zhuǎn)換就是工程量變換，又稱(chēng)標(biāo)度變換。線性參數(shù)的標(biāo)度變換對(duì)于一般的線性系統(tǒng)，其標(biāo)度變換公式如下：程序清單為：//函數(shù)名：ScaleChange//入口參數(shù)：X－采樣值//出口參數(shù)：標(biāo)度變化后的數(shù)值#defineA02//測(cè)量范圍的下限值#defineAm40//測(cè)量范圍的上限值#defineN00//A0對(duì)應(yīng)的數(shù)字量#defineNm255//Am對(duì)應(yīng)的數(shù)字量doubleScaleChange(doubleX){doubletemp;temp=(Am-A0)*(X-N0)/(Nm-N0)+A0;returntemp;}

非線性參數(shù)的標(biāo)度變換如果被測(cè)量為非線性刻度時(shí)，則其變換式應(yīng)根據(jù)具體問(wèn)題分析，首先求出它所對(duì)應(yīng)的標(biāo)度變換公式、然后再進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。例如，在流量測(cè)量中，其流量和差壓的公式為：

根據(jù)上式知道，流體的流量與被測(cè)流體流過(guò)節(jié)流裝置前后產(chǎn)生的壓力差的平方根成正比，于是得到測(cè)量流量時(shí)的標(biāo)度變換式為：PID算法程序設(shè)計(jì)1.位置式PID算法程序設(shè)計(jì)位置式PID控制算法的表達(dá)式為：

式中：——比例系數(shù)

——積分系數(shù)

——微分系數(shù)

PID算法程序設(shè)計(jì)

為了編程方便，在式（7-25）中，令：

（7-27）

則，式（7-25）改寫(xiě)為：

（7-28）

位置式PID控制算法的流程圖如圖7-15所示，其中

r（k）為給定輸入，y（k）為經(jīng)濾波后的測(cè)量值。

PID算法程序設(shè)計(jì)程序清單：//函數(shù)名：PositionPID//入口參數(shù)：*Y－采樣值地址//出口參數(shù)：位置式PID算法的結(jié)果#defineKp20//比例系數(shù)#defineKi10//積分系數(shù)#defineKd15//微分系數(shù)externdoubleEk1//E(k-1)變量externdoublePIk1//PI(k-1)變量externdoubleRk//設(shè)定值doublePositionPID(double*Y){ doublePPk;doublePIk;doublePDk;doubleEk;PID算法程序設(shè)計(jì)doubleresult;

Ek=Rk-*Y;//求取偏差PPk=Kp*Ek;//k時(shí)刻的比例項(xiàng)PIk=Ki*Ek+PIk1;//k時(shí)刻的積分項(xiàng)PDk=Kd*(Ek-Ek1);//k時(shí)刻的微分項(xiàng)result=PPk+PIk+PDk;//k時(shí)刻的PID運(yùn)算結(jié)果Ek1=Ek;//保存k時(shí)刻的偏差PIk1=PIk;//保存k時(shí)刻的積分項(xiàng)returnresult;//返回結(jié)果}

PID算法程序設(shè)計(jì)2.增量式PID算法程序設(shè)計(jì)增量式PID控制算法的表達(dá)式為：

（7-29）式中：

（7-30）

//函數(shù)名：IncrementPID//入口參數(shù)：*Y－采樣值地址//出口參數(shù)：PID算法的結(jié)果#defineKp20//比例系數(shù)#defineKi10//積分系數(shù)#defineKd15//微分系數(shù)externdoubleEk1//E(k-1)變量externdoubleEk2//E(k-2)變量externdoubleRk//設(shè)定值doubleIncrementPID(double*Y){doubleEk;doubleresult;Ek=Rk-*Y;result=Kp*(Ek-Ek1)+Ki*Ek+Kd*(Ek-2*Ek1+Ek2);Ek2=Ek1;Ek1=Ek;returnresult;//返回結(jié)果}

PID算法程序設(shè)計(jì)3.抗積分飽和PID控制算法程序設(shè)計(jì)這里只討論采用積分分離法抗積分飽和的PID控制算法程序設(shè)計(jì)。其控制規(guī)律是：當(dāng)偏差大于某個(gè)規(guī)定的門(mén)限值時(shí)，取消積分作用，從而使不至過(guò)大。只有偏差較小時(shí)，才引入積分作用，以消除偏差。其控制算式為：

其中：為的門(mén)限值PID算法程序設(shè)計(jì)程序清單：//函數(shù)名：SeparatePID//入口參數(shù)：*Y－采樣值地址//出口參數(shù)：積分分離PID算法的結(jié)果#defineKp20//比例系數(shù)#defineKi10//積分系數(shù)#defineKd15//微分系數(shù)#defineEpsilon10//偏差門(mén)限值externdoubleEk1//E(k-1)變量externdoublePIk1//PI(k-1)變量externdoubleRk//設(shè)定值doubleSeparatePID(double*Y){doublePPk;doublePIk;doublePDk;

PID算法程序設(shè)計(jì)doubleEk;doubleKE;doubleresult;

Ek=Rk-*Y;//求取偏差PPk=Kp*Ek;//k時(shí)刻的比例項(xiàng)PIk=Ki*Ek+PIk1;//k時(shí)刻的積分項(xiàng)PDk=Kd*(Ek-Ek1);//k時(shí)刻的微分項(xiàng)Ifabs(Ek)>EpsilonKE=0;ElseKE=1;result=PPk+KE*PIk+PDk;//k時(shí)刻的PID運(yùn)算結(jié)果Ek1=Ek;//保存k時(shí)刻的偏差PIk1=PIk;//保存k時(shí)刻的積分項(xiàng)returnresult;//返回結(jié)果}

PID算法程序設(shè)計(jì)4.不完全微分PID控制算法程序設(shè)計(jì)不完全微分PID控制器增量型控制