应用程序设计与实现

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1、第6章 应用程序设计与实现技术 6.1 程序设计技术 6.2 测量数据预处理技术 6.3 数字控制器的工程实现 6.4 系统的有限字长数值问题 6.5 软件抗干扰技术 软件是工业控制机的程序系统，它可分为系统软件和应用软件。 所谓应用软件就是面向控制系统本身的程序，它是根据系统的具体要求，由用户自己设计的。 软件设计的方法：利用计算机语言自己编制需要的应用程序；利用组态软件。 1精选ppt6.1 程序设计技术 6.1.1 模块化与结构化程序设计 6.1.2 面向过程与面向对象的程序设计 6.1.3 高级语言I/O控制台编程 2精选ppt6.1.1 模块化与结构化程序设计一个完整的程序设计过程可

2、以用左图来说明。 首先要分析用户的要求，这大约占整个程序设计工作量的10%；然后编写程序的说明，这大约也占10%；接着进行程序的设计与编码，这大约占30%左右，其中设计与编码几乎各占15%；最后进行测试和调试，这要花费整个程序设计工作量的40%以上。 3精选ppt1.模块化程序设计 （1）自底向上模块化设计 首先对最低层模块进行编码、测试和调试。这些模块正常工作后，就可以用它们来开发较高层的模块。这种方法是汇编语言设计常用的方法。 （2）自顶向下模块化设计 首先对最高层进行编码、测试和调试。为了测试这些最高层模块，可以用“结点”来代替还未编码的较低层模块，这些“结点”的输入和输出满足程序的说明

3、部分要求，但功能少得多。 该方法一般适合用高级语言来设计程序。 4精选ppt2.结构化程序设计 1966年，C.Bohm 和G.Jacopini证明了只用三种基本的控制结构就能实现任何单入口单出口的程序。这三种基本的控制结构是“顺序”、“选择”、“循环”。如右图所示。5精选ppt6.1.2 面向过程与面向对象的程序设计 1.面向过程的程序设计及其局限性 过程式程序设计是面向功能的。首先要定义所要实现的功能，然后设计为实现这些功能所要执行的步骤。这些步骤就是过程。编写代码实际上等于分解这些步骤，使每一步直接对应一行代码。这就是过程式编程中的“逐步求精”的过程。 这种方式不利于中大型软件的开发与维

4、护，小部分数据或功能的改变会涉及到很多的相关程序。 2.面向对象的程序设计 以上两种方法在概念上存在以下主要区别： （1）模块与对象 （2）过程调用和消息传递 （3）类型和类 （4）静态链接和动态链接 6精选ppt6.1.3 高级语言I/O控制台编程 对于PC总线工业控制机，我们以Turbo C为例来说明其访问I/O端口的编程。 Turbo C通常有库函数，允许直接访问I/O端口，头文件conio.h中定义了I/O端口例程。 例如： a=inportw(0 x210) b=inportb(0 x220) 第一条指令表示将端口210H的16位二进制数(一个字)输入给变量a，第二条指令表示将端口2

5、20H的8位二进制数(一个字节)输入给变量b。在C语言中，0 x起头的是16进制数。 又如： outportw(0 x230,0 x3435) outportb(0 x240,0 x26) 第一条指令表示将二字节数3435H输出到端口230H中，第二条指令表示将单字节数26H输出到端口240H中。 7精选ppt6.2 测量数据预处理技术 6.2.1 误差自动校准 6.2.2 线性化处理和非线性补偿 6.2.3 标度变换方法 6.2.4 越限报警处理 传感器把生产过程的信号转换成电信号，然后用AD转换器把模拟信号变成数字信号，读入计算机中。 对于这样得到的数据，一般要进行一些预处理，其中最基本的

6、处理有线性化处理、标度变换和误差自动校准。 8精选ppt6.2.1 误差自动校准 定义：系统误差是指在相同条件下，经过多次测量，误差的数值(包括大小符号)保持恒定，或按某种已知的规律变化的误差。 特点：在一定的测量条件下，其变化规律是可以掌握的，产生误差的原因一般也是知道的。 方法：偏移校准在实际中应用最多，并且常采用程序来实现，称为数字调零。 数字调零：在测量时，先把多路输入接到所需测量的一组输入电压上进行测量，测出这时的输入值为x1,然后把多路开关的输入接地，测出零输入时AD转换器的输出为x0，用x1减去x0即为实际输入电压x。 除了数字调零外，还可以采用偏移和增益误差的自动校准。9精选p

7、pt1.全自动校准 采用这种方法测得的V与放大器的漂移和增益变化无关，与V和R的精度也无关。这样可大大提高测量精度，降低对电路器件的要求。 先把开关接地，测出这时的输入值x0，然后把开关接VR，测出输入值x1，并存放x1、x0，在正式测量时，如测出的输入值为x，则这时的V可用下式计算 10精选ppt2.人工自动校准 人工自动校准只测一个标准输入信号yR，零信号的补偿由数字调零来完成。 设数字调零后测出的数据分别为xR(接校准输入yR时)和x(接被测输入y时)，则可按下式来计算y。 如果在校准时，计算并存放如果在校准时，计算并存放y yR Rx xR R的值，则测量的值，则测量校准时，只需行一次

8、乘法即可。校准时，只需行一次乘法即可。 人工自动校准特别适于传感器特性随时间会发生人工自动校准特别适于传感器特性随时间会发生变化的场合。如常用的湿敏电容等湿度传感器。变化的场合。如常用的湿敏电容等湿度传感器。 11精选ppt6.2.2 线性化处理和非线性补偿1铂热电阻的阻值与温度的关系 2热电偶的热电势与温度的关系 3孔板差压与流量的关系4气体体积流量的非线性补偿 12精选ppt6.2.3 标度变换方法 在工业测控系统中，如，压力的单位为Pa，流量的单位为m3h，温度的单位为等，这些参数经传感器和AD转换后得到一系列的数码，这些数码值并不一定等于原来带有量纲的参数值，它仅仅对应于参数值的大小，

9、故必须把它转换成带有量纲的工程值后才能运算、显示或打印输出，这种转换就是标度变换。 标度变换有各种类型，它取决于被测参数的传感器的类型，应根据实际要求来选用适当的标度变换方法。 1线性变换公式 2公式转换法 3其它标度变换法 13精选ppt 1.线性变换公式 Y=(Ymax-Ymin)(X-Nmin)(Nmax-Nmin)+Ymin Y表示参数测量值，Ymax表示参数量程最大值，Ymin表示参数量程最小值，Nmax表示 Ymax对应的AD转换后的输入值，Nmin表示量程起点Ymin对应的AD转换后的输入值，X表示测量值Y对应的AD转换值。 2.公式转换法 可采用直接按解析式来计算。 3.其它标

10、度变换法 可采用多项式插值法，也可以用线性插值法或查表进行标度变换。 14精选ppt6.2.4 越限报警处理 越限报警是工业控制过程常见而又实用的一种报警形式，它分为上限报警、下限报警及上下限报警。如果需要判断的报警参数是xn，该参数的上下限约束值分别是xmax和xmin，则上下限报警的物理意义如下： (1)上限报警 若xnxmax，则上限报警，否则继续执行原定操作。 (2)下限报警 若xnxmin，则下限报警，否则继续执行原定操作。 (3)上下限报警 若xnxmax，则上限报警，否则对下式做判别； xnxmin否?若是则下限报警，否则继续原定操作。 根据上述规定，程序可以实现对被控参数y、偏

11、差e以及控制量u进行上下限检查。 15精选ppt6.3 数字控制器的工程实现 6.3.1 给定值和被控量处理 6.3.2 偏差处理 6.3.3 控制算法的实现 6.3.4 控制量处理 6.3.5 自动/手动切换技术 数字控制器算法的工程实现中，应注意的问题，由以下五部分给出 :16精选ppt6.3.1 给定值和被控量处理 1.给定值处理 给定值处理包括选择给定值SV和给定值变化率限制SR两部分。 通过选择软开关CLCR，可以构成内给定状态或外给定状态；通过选择软开关CASSCC，可以构成串级控制或SCC控制。 (1)内给定状态 当软开关CLCR切向CL位置时，选择操作员设置的给定值SVL。这时

12、系统处于单回路控制的内给定状态，利用给定值键可以改变给定值。17精选ppt (2)外给定状态 当软开关CLCR切向CR位置时，给定值来自上位计算机、主回路或运算模块。这时系统处于外给定状态。在此状态下，可以实现以下两种控制方式。 SCC控制:当软开关CASSCC切向SCC位置时，接收来自上位计算机的给定值SVS，以便实现二级计算机控制。 串级控制:当软开关CASSCC切向CAS位置时，给定值SVS来自主调节模块，实现串级控制。 (3)给定值变化率限制 为了减少给定值突变对控制系统的扰动，防止比例、积分饱和，以实现平稳控制，需要对给定值的变化率SR加以限制。变化率的选取要适中，过小会使响应变慢，

13、过大则达不到限制的目的。 综上所述，在给定值处理中，共具有三个输入量(SVL，SVC，SVS)，两个输出量(SV，CSV)，两个开关量(CLCR，CASSCC)，一个变化率(SR)。为了便于PID控制程序调用这些量，需要给每个PID控制模块提供一段内存数据区，来存储以上变量。18精选ppt2.被控量处理 为了安全运行，需要对被控量PV进行上下限报警处理,即: 当PVPH(上限值)时，则上限报警状态(PHA)为“1”； 当PVPL(下限值)时，则下限报警状态(PLA)为“1”。 当出现上、下限报警状态(PHA，PLA)时，它们通过驱动电路发出声或光，以便提醒操作员注意。为了不使PHAPLA的状态

14、频繁改变，可以设置一定的报警死区(HY)。 为了实现平稳控制，需要对参与控制的被控量的变化率PR加以限制。变化率的选取要适中，过小会使响应变慢，过大则达不到限制的目的。 被控量处理数据区存放一个输入量PV，三个输出量PHA、PLA和CPV，四个参数PH、PL、HY和PR。 19精选ppt7.4.2 偏差处理 偏差处理分为计算偏差、偏差报警、非线性特性和输入补偿四部分，如下图所示。 1计算偏差：根据正反作用方式(DR)计算偏差DV， 当DR=0，代表正作用，此时偏差DV=CPV-CSV； 当DR=1，代表反作用，此时偏差DV=CSV-CPV； 2偏差报警 ： 对于控制要求较高的对象，不仅要设置被

15、控制量PV的上、下限报警，而且要设置偏差报警。 当偏差绝对值|DV|DL时，则偏差报警状态DLA为“1”。 20精选ppt3输入补偿 根据输入补偿方式ICM状态，决定偏差DVC与输入补偿量ICV之间的关系，即 当ICM=0，代表无补偿，此时CDV=DVC； 当ICM=1，代表加补偿，此时CDV=DVC+ICV; 当ICM=2，代表减补偿，此时CDV=DVC-ICV; 当ICM=3，代表置换补偿，此时CDV=ICV。 利用加、减输入补偿，可以分别实现前馈控制和纯滞后补偿(Smith)控制。4非线性特性 为了实现非线性PID控制或带死区的PID控制，设置了非线性区-A至+A和非线性增益K，非线性特

16、性如图所示。即 当K=0时，则为带死区的PID控制； 当0K1时，则为非线性PID控制； 当K=1时，则为正常的PID控制。 偏差处理数据区共存放一个输入补偿量ICV，两个输出量DLA和CDV，两个状态量DR和ICM，以及四个参数DL、-A、+A和K。 21精选ppt7.4.3 控制算法的实现 在自动状态下，需要进行控制计算，即按照各种控制算法的差分方程，计算控制量U，并进行上、下限限幅处理。 以PID控制算法为例，当软开关DVPV切向DV位置时，则选用偏差微分方式；当软开关DVPV切向PV位置时，则选用测量(即被控量)微分方式。 在PID计算数据区，不仅要存放PID参数(KP或，TI，TD)和采控制周期T，还要存放微分方式DVPV、积分分离值，控制量上限限值MH和下限限值ML，以及控制量UK。为了进行递推运算，还应保存历史数据，如e(k-1)、e(k-2)和u(k-1)。22精选ppt6.3.4 控制量处理 在输出控制量UK以前，还应经过各项处理和判断，以便扩展控制功能，实现安全平稳操作。 1输出补偿：根据输出补偿方式OCM的状态，决定控制量UK与输出补偿量OCV之间的关系，即： 当