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1、第7章 计算机控制系统的软件设计,概述,软件设计的基本特征 设计、施工和标准化。 软件工程学科 软件的需求分析、设计、构造、测量、维护和管理以及软件工程等各个方面，许多内容所涉及的是工程及管理的知识,装置优化层,企业计划决策软件,最优调度软件,工业对象,操作优化软件,监控平台软件 基本控制软件,局部优化软件,先进控制软件,先进控制软件,局部优化软件,先进控制软件,先进控制软件,先进控制层,现场控制层,计 算 机 控 制 系 统 软 件 组 成 框 图,直接程序： 完成信号采集、处理和各类控制 信号的输出任务，其性能直接影 响系统的运行效率和精度。 规范服务性程序：完成规范服务功能，如 报表打印
2、输出、报警输出、 算法运行、各种画面显示等。 辅助程序：包括接口驱动程序、检验程序， 设备自诊断程序，当检测到错误 时，启用备用通道并自动切换,（设计核心）,（不可缺少）,程序功能模块,数据库技术与应用程序设计,7.1数据库技术 在计算机控制系统中，数据处理占很大比重。所以在计算机控制系统中引入数据库技术，并对数据库进行统一高效的管理是非常必要的。 传统的数据库以存储信息为主要目的，在控制系统中却要求数据的实时性比较强，所以传统的数据库不能满足实时应用的要求。,7.1 数据库技术,7.1.2 分布式数据库 分布式数据库是数据库技术与计算机网络结合的产物。 特点1:数据的物理分布性，数据分布在不
3、同场地的不同的计算机上。 特点2:数据的逻辑整体性，数据相互关联，在逻辑上是整体。 特点3:数据分布的独立性，在用户看来，数据库仍然是一个集中的数据库，不用关心数据的分布情况。,7.1 数据库技术,7.1.3 实时数据库 从各通道采集来的数据以及网络上传递来的一些数据都可存入实时数据库，当软件模块需要数据时，可不必到硬件上读取数据，而是直接从实时数据库中去读取数据。,7.1 数据库技术,7.1.4 历史数据库 保存一段时间内的数据，供操作人员进行变化趋势的分析实现对重要数据的组织归并、汇成各种表格，利于管理人员进行各种高层次的综合分析。 短间隔趋势显示历史数据库 长间隔的历史数据库 带计算的长
4、间隔历史数据,历史数据存储 磁盘处理模块,报警显示,图形界面显示,趋势显示,报表显示,数据库通信程序接口组件（API）,I/O驱动程序,图7-10 组态软件数据库系统结构,7.2 数字滤波程序,什么是数字滤波？ 所谓数字滤波，是通过一定的计算程序对采样信号进行平滑加工，提高其有用信号，消除和减少各种干扰和噪声，以保证计算机系统的可靠性。,7.2 数字滤波程序,数字滤波与模拟RC滤波器相比的优点： 不需增加任何硬件设备 不存在阻抗匹配问题 模拟滤波器每个通道都有，而数字滤波器可多个通道共用 可以对频率很低的信号进行滤波 使用灵活方便，可根据需要选择不同的滤波方法，或改变滤波器参数。,7.2.1
5、程序判断滤波,当信号由于随机干扰和误检测或者变送器不稳定而引起严重失真时，可采用程序判断滤波。 程序判断滤波的应用要以生产经验为前提。 适用于慢速变化过程。 根据滤波方法不同，可分为限幅滤波和限速滤波。,7.2.1 程序判断滤波,1.限幅滤波 求出两次相邻采样值的差值，与允许的最大差值Y比较。 Y是两次采样值所允许的最大差值，取决于采样周期T和实际系统的输出动态响应。,7.2.1 程序判断滤波,2.限速滤波 即兼顾了采样的实时性，又照顾了不采样时的连续性。,7.2.2 中值滤波,中值滤波的基本原理 在某采样瞬间对被测参数连续采样N(N为奇数）次,选择大小居中的数据作为有效信号。 适用范围 能有
6、效地去除由于偶然因素引起的波动或因采样器的不稳定造成的误码等脉冲性干扰。适用于慢速变化过程。,7.2.3 算术平均滤波,对参数进行连续采样，然后求其算术 平均值作为有效采样值。 该算法主要对压力、流量等周期脉动的采样值进行平滑加工，但对脉冲干扰的平滑不理想。 平均次数n影响平滑度和灵敏度，随着n值的增大，平滑度提高，灵敏度降低。,7.2.4 加权平均滤波,加权递推平均滤波(滑动平均值滤波) 基本思想：算术平均值滤波对每个采样值给出相同的权重系数, 即1/m。若要增加新采样值在有效信号中的比重, 提高系统对当前所受干扰的灵敏度, 实际应用时, 可采用加权递推平均滤波, 其算式为 常数 Ci 的选
7、取是多种多样的，满足,7.2.5 低通滤波,惯性滤波法基本概念 用软件实现RC低通滤波器功能, 动态方程为 其中 Tf =RC，称为滤 波时间常数 离散化后动态方程， T为采样周期, 得 , 0a1, 称为滤波系数。,7.2.6 滑动平均滤波,只采样一次，将这一次采样值和过去的若干次采样值一起求平均。得到的有效值投入使用。 编程时，RAM中开辟n个数据暂存区。每采集一个数据便存入暂存区，同时去掉一个最老的数据。,7.2.7 滤波方法比较,各种滤波方法的特点与应用 平均值滤波适用于周期性干扰； 加权平均递推滤波适用于纯滞后较大的过程； 中值滤波和程序判断滤波适用于偶然出现的脉冲干扰； 惯性滤波适
8、用于高频干扰。 滑动平均滤波适用于快速过程。,7.3 标度变换,为什么要进行标度变换？ 标度变换的任务是什么？ 标度变换有哪几种常用方法？,为什么要进行标度变换？,生产中的各种参数都有着不同的量纲和数值，但在计算机控制系统的采集、A/D转换过程中已变为无量纲的数据，当系统在进行显示、记录、打印和报警等操作时，必须把这些测得的数据还原为相应量纲的物理量，这就需要进行标度变换。,图7-3 标度变换原理图,标度变换的任务,标度变换的任务是把计算机系统检测的对象参数的二进制数值还原变换为原物理量的工程实际值。 传感器把工程量转换成电信号，并进行放大、A/D转换成二进制数字量，送入计算机。此次标度变换由
9、硬件完成。 CPU 读入该数字信号并进行分析处理，在送到显示器进行显示以前，必须把无量纲的二进制数值再还原变换成工程量。此次标度变换由软件完成。,标度变换的方法,标度变换算它取决于被测参数的工程量与转换后的无量纲数字量之间的函数关系。一般而言，输入通道中的放大器、A/D转换器基本上是线性的，因此，传感器的输入输出特性就大体上决定了不同的标度变换方法。 主要方法有：线性式变换、非线性式变换、多项式变换以及查表法。,线性变换,线性标度变换是最常用的标度变换方式，其前提条件是传感器的输出信号与被测参数之间呈线性关系，如图7-4所示。,图7-4 线性关系的标度变换,数字量Nx对应的工程量Ax的线性标度
10、变换公式为：,(7-8),式中： A0一次测量仪表的下限（测量范围最小值）； Am一次测量仪表的上限（测量范围最大值）； Ax实际测量值(工程量)； N0仪表下限所对应的数字量； Nm仪表上限所对应的数字量； Nx实际测量值所对应的数字量。,例：某加热炉温度测量仪表的量程为200 800，在某一时刻计算机系统采样并经数字滤波后的数字量为CDH，求此时的温度值是多少？(设该仪表的量程是线性的)。,解：根据式(7-10)已知，A0 = 200, Am = 800，Nx = CDH = (205)D，Nm= FFH = (255)D。所以此时的温度为,= 682,如果传感器的输出信号与被测参数之间呈
11、非线性关系时，应根据不同的非线性参数的变化规律各建立不同的非线性变换式，但前提是它们的函数关系可用解析式来表示。 例如，在差压法测流量中，流量与差压间的关系为:,(7-15),式中：Q 流体流量；,K 刻度系数，与流体的性质及节流装置的尺寸有关；,非线性变换,P节流装置前后的差压。,可见，流体的流量与被测流体流过节流装置前后产生的压力差的平方根成正比，于是得到测量流量时的标度变换公式为,(7-16),式中：Q0 差压流量仪表的下限值； Qm 差压流量仪表的上限值； Qx 被测液体的流量测量值； N0 差压流量仪表下限所对应的数字量； Nm 差压流量仪表上限所对应的数字量； Nx 差压流量仪表测
12、得差压值所对应的数字量。,多项式变换,有些传感器的输出信号与被测参数之间虽为非线性关系, 但它们的函数关系无法用一个解析式来表示，或者解析式过于复杂而难于直接计算。这时可以采用一种既计算简便又能满足实际工程要求的近似表达式插值多项式来进行标度变换。,插值多项式是用一个n次多项式来代替某种非线性函数关系的方法。 其插值原理是：被测参数y与传感器的输出值x具有近似函数关系为y= f( x ) =anx+ an-1x+ + a1x + a0 已知：在n+1个相异点处的函数值为： f( x0 ) = y0，f( x1 ) = y1，f( xn ) = yn。便可以获得n+1个一次方程组,式中x0，x1
13、，xn是已知的传感器的输出值，y0，y1，yn是被测参数，可以求出n+1个待定系数a0、a1、，an，从而构造成功一个可代替f(x)这种函数关系的可插值多项式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
14、 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：热敏电阻测量温度。热敏电阻灵敏度高、价格低廉，但是热敏电阻的阻值与温度之间的关系是非线性的，而且只能以表7-1的方式表示。现构造一个三阶多项式P3( R )来逼近这种函数关系。, 温度 t() 阻值R(k) 温度 t() 阻值R(k),表 7-1 热敏电阻的温度-电阻特性,取三阶多项式为 t = P3( R ) = a3 R 3+ a2 R 2+ a1R 1+ a0 并取t=10，17，27，39这4点为插值点，便可以得到以下方程组：,解上述方程组，得 a3 = 0.2346989 a2 = 6.120273 a1 = 59.28043 a0 = 212.7118 因此，所求的逼近多项式为 t = 0.2346989 R3 + 6.120273 R2 59.28043 R 1+ 212.7118,这就是用来标度变换的插值多项式，将采样测得的电阻值R代入上式，即可获得被测温度t。,
