1、第7章 計算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計,概述,軟件設(shè)計的基本特征 設(shè)計、施工和標(biāo)準(zhǔn)化。 軟件工程學(xué)科 軟件的需求分析、設(shè)計、構(gòu)造、測量、維護(hù)和管理以及軟件工程等各個方面，許多內(nèi)容所涉及的是工程及管理的知識,裝置優(yōu)化層,企業(yè)計劃決策軟件,最優(yōu)調(diào)度軟件,工業(yè)對象,操作優(yōu)化軟件,監(jiān)控平臺軟件 基本控制軟件,局部優(yōu)化軟件,先進(jìn)控制軟件,先進(jìn)控制軟件,局部優(yōu)化軟件,先進(jìn)控制軟件,先進(jìn)控制軟件,先進(jìn)控制層,現(xiàn)場控制層,計 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) 軟 件 組 成 框 圖,直接程序： 完成信號采集、處理和各類控制 信號的輸出任務(wù)，其性能直接影 響系統(tǒng)的運行效率和精度。 規(guī)范服務(wù)性程序：完成規(guī)范性服務(wù)功能，如 報表打

2、印輸出、報警輸出、 算法運行、各種畫面顯示等。 輔助程序：包括接口驅(qū)動程序、檢驗程序， 設(shè)備自診斷程序，當(dāng)檢測到錯誤 時，啟用備用通道并自動切換,（設(shè)計核心）,（不可缺少）,程序功能模塊,數(shù)據(jù)庫技術(shù)與應(yīng)用程序設(shè)計,7.1數(shù)據(jù)庫技術(shù) 在計算機(jī)控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理占很大比重。所以在計算機(jī)控制系統(tǒng)中引入數(shù)據(jù)庫技術(shù)，并對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)一高效的管理是非常必要的。 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫以存儲信息為主要目的，在控制系統(tǒng)中卻要求數(shù)據(jù)的實時性比較強(qiáng)，所以傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫不能滿足實時應(yīng)用的要求。,7.1 數(shù)據(jù)庫技術(shù),7.1.2 分布式數(shù)據(jù)庫 分布式數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)庫技術(shù)與計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的產(chǎn)物。 特點1:數(shù)據(jù)的物理分布性，數(shù)據(jù)分布在

3、不同場地的不同的計算機(jī)上。 特點2:數(shù)據(jù)的邏輯整體性，數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，在邏輯上是整體。 特點3:數(shù)據(jù)分布的獨立性，在用戶看來，數(shù)據(jù)庫仍然是一個集中的數(shù)據(jù)庫，不用關(guān)心數(shù)據(jù)的分布情況。,7.1 數(shù)據(jù)庫技術(shù),7.1.3 實時數(shù)據(jù)庫 從各通道采集來的數(shù)據(jù)以及網(wǎng)絡(luò)上傳遞來的一些數(shù)據(jù)都可存入實時數(shù)據(jù)庫，當(dāng)軟件模塊需要數(shù)據(jù)時，可不必到硬件上讀取數(shù)據(jù)，而是直接從實時數(shù)據(jù)庫中去讀取數(shù)據(jù)。,7.1 數(shù)據(jù)庫技術(shù),7.1.4 歷史數(shù)據(jù)庫 保存一段時間內(nèi)的數(shù)據(jù)，供操作人員進(jìn)行變化趨勢的分析實現(xiàn)對重要數(shù)據(jù)的組織歸并、匯成各種表格，利于管理人員進(jìn)行各種高層次的綜合分析。 短間隔趨勢顯示歷史數(shù)據(jù)庫 長間隔的歷史數(shù)據(jù)庫 帶計算的

4、長間隔歷史數(shù)據(jù),歷史數(shù)據(jù)存儲 磁盤處理模塊,報警顯示,圖形界面顯示,趨勢顯示,報表顯示,數(shù)據(jù)庫通信程序接口組件（API）,I/O驅(qū)動程序,圖7-10 組態(tài)軟件數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu),7.2 數(shù)字濾波程序,什么是數(shù)字濾波？ 所謂數(shù)字濾波，是通過一定的計算程序?qū)Σ蓸有盘栠M(jìn)行平滑加工，提高其有用信號，消除和減少各種干擾和噪聲，以保證計算機(jī)系統(tǒng)的可靠性。,7.2 數(shù)字濾波程序,數(shù)字濾波與模擬RC濾波器相比的優(yōu)點： 不需增加任何硬件設(shè)備 不存在阻抗匹配問題 模擬濾波器每個通道都有，而數(shù)字濾波器可多個通道共用 可以對頻率很低的信號進(jìn)行濾波 使用靈活方便，可根據(jù)需要選擇不同的濾波方法，或改變?yōu)V波器參數(shù)。,7.2.1

5、 程序判斷濾波,當(dāng)信號由于隨機(jī)干擾和誤檢測或者變送器不穩(wěn)定而引起嚴(yán)重失真時，可采用程序判斷濾波。 程序判斷濾波的應(yīng)用要以生產(chǎn)經(jīng)驗為前提。 適用于慢速變化過程。 根據(jù)濾波方法不同，可分為限幅濾波和限速濾波。,7.2.1 程序判斷濾波,1.限幅濾波 求出兩次相鄰采樣值的差值，與允許的最大差值Y比較。 Y是兩次采樣值所允許的最大差值，取決于采樣周期T和實際系統(tǒng)的輸出動態(tài)響應(yīng)。,7.2.1 程序判斷濾波,2.限速濾波 即兼顧了采樣的實時性，又照顧了不采樣時的連續(xù)性。,7.2.2 中值濾波,中值濾波的基本原理 在某采樣瞬間對被測參數(shù)連續(xù)采樣N(N為奇數(shù)）次,選擇大小居中的數(shù)據(jù)作為有效信號。 適用范圍 能

6、有效地去除由于偶然因素引起的波動或因采樣器的不穩(wěn)定造成的誤碼等脈沖性干擾。適用于慢速變化過程。,7.2.3 算術(shù)平均濾波,對參數(shù)進(jìn)行連續(xù)采樣，然后求其算術(shù) 平均值作為有效采樣值。 該算法主要對壓力、流量等周期脈動的采樣值進(jìn)行平滑加工，但對脈沖干擾的平滑不理想。 平均次數(shù)n影響平滑度和靈敏度，隨著n值的增大，平滑度提高，靈敏度降低。,7.2.4 加權(quán)平均濾波,加權(quán)遞推平均濾波(滑動平均值濾波) 基本思想：算術(shù)平均值濾波對每個采樣值給出相同的權(quán)重系數(shù), 即1/m。若要增加新采樣值在有效信號中的比重, 提高系統(tǒng)對當(dāng)前所受干擾的靈敏度, 實際應(yīng)用時, 可采用加權(quán)遞推平均濾波, 其算式為 常數(shù) Ci 的

7、選取是多種多樣的，滿足,7.2.5 低通濾波,慣性濾波法基本概念 用軟件實現(xiàn)RC低通濾波器功能, 動態(tài)方程為 其中 Tf =RC，稱為濾 波時間常數(shù) 離散化后動態(tài)方程， T為采樣周期, 得 , 0a1, 稱為濾波系數(shù)。,7.2.6 滑動平均濾波,只采樣一次，將這一次采樣值和過去的若干次采樣值一起求平均。得到的有效值投入使用。 編程時，RAM中開辟n個數(shù)據(jù)暫存區(qū)。每采集一個數(shù)據(jù)便存入暫存區(qū)，同時去掉一個最老的數(shù)據(jù)。,7.2.7 濾波方法比較,各種濾波方法的特點與應(yīng)用 平均值濾波適用于周期性干擾； 加權(quán)平均遞推濾波適用于純滯后較大的過程； 中值濾波和程序判斷濾波適用于偶然出現(xiàn)的脈沖干擾； 慣性濾波

8、適用于高頻干擾。 滑動平均濾波適用于快速過程。,7.3 標(biāo)度變換,為什么要進(jìn)行標(biāo)度變換？ 標(biāo)度變換的任務(wù)是什么？ 標(biāo)度變換有哪幾種常用方法？,為什么要進(jìn)行標(biāo)度變換？,生產(chǎn)中的各種參數(shù)都有著不同的量綱和數(shù)值，但在計算機(jī)控制系統(tǒng)的采集、A/D轉(zhuǎn)換過程中已變?yōu)闊o量綱的數(shù)據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)在進(jìn)行顯示、記錄、打印和報警等操作時，必須把這些測得的數(shù)據(jù)還原為相應(yīng)量綱的物理量，這就需要進(jìn)行標(biāo)度變換。,圖7-3 標(biāo)度變換原理圖,標(biāo)度變換的任務(wù),標(biāo)度變換的任務(wù)是把計算機(jī)系統(tǒng)檢測的對象參數(shù)的二進(jìn)制數(shù)值還原變換為原物理量的工程實際值。 傳感器把工程量轉(zhuǎn)換成電信號，并進(jìn)行放大、A/D轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)字量，送入計算機(jī)。此次標(biāo)度變換

9、由硬件完成。 CPU 讀入該數(shù)字信號并進(jìn)行分析處理，在送到顯示器進(jìn)行顯示以前，必須把無量綱的二進(jìn)制數(shù)值再還原變換成工程量。此次標(biāo)度變換由軟件完成。,標(biāo)度變換的方法,標(biāo)度變換算它取決于被測參數(shù)的工程量與轉(zhuǎn)換后的無量綱數(shù)字量之間的函數(shù)關(guān)系。一般而言，輸入通道中的放大器、A/D轉(zhuǎn)換器基本上是線性的，因此，傳感器的輸入輸出特性就大體上決定了不同的標(biāo)度變換方法。 主要方法有：線性式變換、非線性式變換、多項式變換以及查表法。,線性變換,線性標(biāo)度變換是最常用的標(biāo)度變換方式，其前提條件是傳感器的輸出信號與被測參數(shù)之間呈線性關(guān)系，如圖7-4所示。,圖7-4 線性關(guān)系的標(biāo)度變換,數(shù)字量Nx對應(yīng)的工程量Ax的線性標(biāo)

10、度變換公式為：,(7-8),式中： A0一次測量儀表的下限（測量范圍最小值）； Am一次測量儀表的上限（測量范圍最大值）； Ax實際測量值(工程量)； N0儀表下限所對應(yīng)的數(shù)字量； Nm儀表上限所對應(yīng)的數(shù)字量； Nx實際測量值所對應(yīng)的數(shù)字量。,例：某加熱爐溫度測量儀表的量程為200 800，在某一時刻計算機(jī)系統(tǒng)采樣并經(jīng)數(shù)字濾波后的數(shù)字量為CDH，求此時的溫度值是多少？(設(shè)該儀表的量程是線性的)。,解：根據(jù)式(7-10)已知，A0 = 200, Am = 800，Nx = CDH = (205)D，Nm= FFH = (255)D。所以此時的溫度為,= 682,如果傳感器的輸出信號與被測參數(shù)之間

11、呈非線性關(guān)系時，應(yīng)根據(jù)不同的非線性參數(shù)的變化規(guī)律各建立不同的非線性變換式，但前提是它們的函數(shù)關(guān)系可用解析式來表示。 例如，在差壓法測流量中，流量與差壓間的關(guān)系為:,(7-15),式中：Q 流體流量；,K 刻度系數(shù)，與流體的性質(zhì)及節(jié)流裝置的尺寸有關(guān)；,非線性變換,P節(jié)流裝置前后的差壓。,可見，流體的流量與被測流體流過節(jié)流裝置前后產(chǎn)生的壓力差的平方根成正比，于是得到測量流量時的標(biāo)度變換公式為,(7-16),式中：Q0 差壓流量儀表的下限值； Qm 差壓流量儀表的上限值； Qx 被測液體的流量測量值； N0 差壓流量儀表下限所對應(yīng)的數(shù)字量； Nm 差壓流量儀表上限所對應(yīng)的數(shù)字量； Nx 差壓流量儀表

12、測得差壓值所對應(yīng)的數(shù)字量。,多項式變換,有些傳感器的輸出信號與被測參數(shù)之間雖為非線性關(guān)系, 但它們的函數(shù)關(guān)系無法用一個解析式來表示，或者解析式過于復(fù)雜而難于直接計算。這時可以采用一種既計算簡便又能滿足實際工程要求的近似表達(dá)式插值多項式來進(jìn)行標(biāo)度變換。,插值多項式是用一個n次多項式來代替某種非線性函數(shù)關(guān)系的方法。 其插值原理是：被測參數(shù)y與傳感器的輸出值x具有近似函數(shù)關(guān)系為y= f( x ) =anx+ an-1x+ + a1x + a0 已知：在n+1個相異點處的函數(shù)值為： f( x0 ) = y0，f( x1 ) = y1，f( xn ) = yn。便可以獲得n+1個一次方程組,式中x0，x

13、1，xn是已知的傳感器的輸出值，y0，y1，yn是被測參數(shù)，可以求出n+1個待定系數(shù)a0、a1、，an，從而構(gòu)造成功一個可代替f(x)這種函數(shù)關(guān)系的可插值多項式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 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：熱敏電阻測量溫度。熱敏電阻靈敏度高、價格低廉，但是熱敏電阻的阻值與溫度之間的關(guān)系是非線性的，而且只能以表7-1的方式表示?，F(xiàn)構(gòu)造一個三階多項式P3( R )來逼近這種函數(shù)關(guān)系。, 溫度 t() 阻值R(k) 溫度 t() 阻值R(k),表 7-1 熱敏電阻的溫度-電阻特性,取三階多項式為 t = P3( R ) = a3 R 3+ a2 R 2+ a