第7章 计算机控制系统软件设计

1、第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计计算机控制技术计算机控制技术黄国宏黄国宏广东工业大学信息工程学院应用电子系广东工业大学信息工程学院应用电子系 第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计 软件是工业控制机的程序系统，它可分为软件是工业控制机的程序系统，它可分为系统软件系统软件、支持软件支持软件和和应用软件应用软件三部分。三部分。 所谓所谓应用软件应用软件就是面向控制系统本身的程序，它是根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。据系统的具体要求，由用户自己设计的。第七章第七章 计算机控制系统软件设计计算机控

2、制系统软件设计第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计7.1.3 工业控制组态软件 目前，越来越多的控制工程师已不再采用从芯片目前，越来越多的控制工程师已不再采用从芯片电路设计电路设计模块制做模块制做系统组装调试系统组装调试的传统模式来的传统模式来研制研制计算机控制系统计算机控制系统，而是采用，而是采用组态模式组态模式。 计算机控制系统的组态功能可分为两个主要方面，计算机控制系统的组态功能可分为两个主要方面，即即硬件组态硬件组态和和软件组态软件组态。 硬件组态硬件组态常以总线式常以总线式(PC总线或总线或STD总线总线)工业控制机工业控制机为主进行选择和配置。为主进

3、行选择和配置。 第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计 工业控制组态软件工业控制组态软件是标准化、规模化、商品化的通是标准化、规模化、商品化的通用用过程控制软件过程控制软件 。 组态工作是在组态软件支持下进行的，组态软件主组态工作是在组态软件支持下进行的，组态软件主要包括：要包括：控制组态控制组态、图形生成系统图形生成系统、显示组态显示组态、IO通通道登记道登记、单位名称登记单位名称登记、趋势曲线登记趋势曲线登记、报警系统登记报警系统登记、报表生成系统报表生成系统共共8个方面的内容。个方面的内容。 第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设

4、计第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计7.3 测量数据预处理技术(重要-自学) 传感器把生产过程的信号转换成电信号，然后用传感器把生产过程的信号转换成电信号，然

5、后用A AD D转转换器把模拟信号变成数字信号，读入计算机中，完成数据的换器把模拟信号变成数字信号，读入计算机中，完成数据的采集。采集。 对于这样得到的数据，一般要进行一些预处理，其中最对于这样得到的数据，一般要进行一些预处理，其中最基本的处理有基本的处理有线性化处理线性化处理、标度变换标度变换和和系统误差的自动校准系统误差的自动校准。 第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计7.5 系统的有限字长数值问题系统的有限字长数值问题 在实现一个计算机控制系统时必须回答这样一些问题：1. 转换器应有多精确?2. 在计算中要求什么样的精度?3. 计算应当用定点运算还是用浮点

6、运算? 第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计 到目前为止，所讨论的计算机控制系统均只考虑了信号在时间上的离散化问题时间上的离散化问题，而并未考虑幅值幅值上的量化效应上的量化效应， 7.5.1 量化误差来源量化误差来源1.量化误差量化误差 设计算机字长为n1，采用定点无符号整数，则机内数的最小单位 称为量化单位量化单位。 112121nnq第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计例如：设模拟电压是05V，采用8位、12位AD转换器，则可表示的最小单位最小单位分别是185

7、00021q 212500021q =19.6078mV =1.2210mV通过A/D转换可计算出模拟电压x相当于多少个整量化单整量化单位位，即 x=Lq+，式中L为整数，对于余数(q)可以用截尾或舍入截尾或舍入来处理。 第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计所谓截尾：所谓截尾： 就是舍掉数值中小于q的余数(q)，其截尾误截尾误差差t为t=xt-x，式中x为实际数值，xt为截尾后的数值。显然-qt0。 所谓舍入：所谓舍入： 就是当被舍掉的余数大于或等于量化单位的一半时，则最小有效位加1；而当余数小于量化单位量化单位的一半时，则舍掉。这时舍入误差舍入误差为r=xr-

8、x 式中x为实际数值，xr舍入后的数值。显然，-q/2rq/2。第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计2.量化误差来源量化误差来源 在计算机控制系统中数值误差源有三个数值误差源有三个：1. 首先被测参数(模拟量)经A/D转换器变成数字量时产生了第一次量化误差。2. 在运算之前，运算式的参数(如PID算式中的Kp、TI、TD等)必须预先置入指定的内存单元。由于字长有限，对参数可采用截尾或舍入来处理。另外在运算过程中，也会产生误差。3. 计算机输出的数字控制量经D/A转换器变成模拟量，在模拟量输出装置内产生了第三次量化误差。 第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计

9、计算机控制控制系统软件设计7.5.2 A/D、D/A及运算字长的选择及运算字长的选择 为减少量化误差，在条件允许的情况下，可尽量加大字长加大字长。下面分别讨论A/D转换器转换器、D/A转换器转换器和运运算的字长选取算的字长选取。 1 A/D转换器的字长选择转换器的字长选择 为把量化误差量化误差限制在所允许的范围内，应使A/D转换器有足够的字长足够的字长。 确定字长要考虑的因素确定字长要考虑的因素是：输入信号输入信号x的动态范围动态范围和分辨率分辨率。 第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计 (1) 输入信号的动态范围输入信号的动态范围 设输入信号的最大值和最小值之

10、差为 mVxxn) 12(1minmax式中n1为A/D转换器的字长，为转换当量转换当量mv/bit。则动态范围动态范围为： minmax121xxn因此，A/D转换器字长 )1 (logminmax21xxn第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计(2) 分辨率分辨率 有时对AD转换器的字长要求字长要求以分辨率分辨率形式给出。分辨率定义为 1211nD例如，8位的分辨率为 12116D)11 (021Dlogn 0.0039215如果所要求的分辨率为D0，则字长0000015216位的分辨率为1218D第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软

11、件设计例如，某温度控制系统的温度范围为0至200，要求分辨为0.005(即相当于1)，可求出A/D转换器字长 )005. 011 ()11 (2021logDlogn7.65 因此，取A/D转换器字长n1为8位。 第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计2. D/A转换器的字长选择转换器的字长选择 D/A转换器输出一般都通过功率放大器功率放大器推动执行机构。 设执行机构的最大输入值为umax, 最小输入值为umin，灵敏度为，可得D/A转换器的字长 )1logminmax21uu(n 即D/A转换器的输出应满足执行机构动态范围的要求。一般情况下，可选D/A字长小于或

12、等于A/D字长。 第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计 为了提高工业控制系统的可靠性，仅靠硬件抗干扰措施是不够的，需要进一步借助于软件措施来克服某些干扰。 在计算机控制系统中，如能正确地采用软件抗干扰措施，与硬件抗干扰措施构成双道抗干扰防线，无疑将大大提高工业控制系统的可靠性。 经常采用的软件抗干扰技术是数字滤波技术数字滤波技术、开关开关量的软件抗干扰技术量的软件抗干扰技术、指令冗余技术指令冗余技术、软件陷阱技术软件陷阱技术等。 第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计一、测控系统软件的基本要求一、测控系统软件的基本要求 （1 1）易

13、理解、易维护）易理解、易维护 指软件系统容易阅读和理解，容易发现和纠正错误，容指软件系统容易阅读和理解，容易发现和纠正错误，容易修改和补充。易修改和补充。（2 2）实时性）实时性 要求系统及时响应外部事件的发生，并及时给出处理要求系统及时响应外部事件的发生，并及时给出处理结果。结果。第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计 两方面含义：其一是比较容易制定出测试准则，并两方面含义：其一是比较容易制定出测试准则，并根据这些准则对软件进行测试；根据这些准则对软件进行测试； 其二软件设计完成后，首先在模拟环境下运行，经其二软件设计完成后，首先在模拟环境下运行，经过过静态分析

14、静态分析和和动态仿真运行动态仿真运行，证明正确无误后才可投入，证明正确无误后才可投入实际运行。实际运行。第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计（4 4）准确性）准确性算法选择、位数选择等要符合要求。算法选择、位数选择等要符合要求。（5 5）可靠性）可靠性 最重要的指标之一，两方面含义：第一是运行最重要的指标之一，两方面含义：第一是运行参数环境发生变化时，软件能可靠运行并给出准确参数环境发生变化时，软件能可靠运行并给出准确结果，即软件应具有结果，即软件应具有自适应性自适应性； 第二是工业环境极其恶劣，干扰严重，软件必第二是工业环境极其恶劣，干扰严重，软件必须保证在严

15、重干扰条件下也能可靠运行。须保证在严重干扰条件下也能可靠运行。第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计1.1.采用软件的方法抑制叠加在输入输出信号上噪声影采用软件的方法抑制叠加在输入输出信号上噪声影响，如模拟输入信号的响，如模拟输入信号的数字滤波技术数字滤波技术；2.2.由于干扰而使程序发生混乱，导致由于干扰而使程序发生混乱，导致程序乱飞程序乱飞或或陷入陷入死循环死循环，采取使程序纳入正规的措施，如，采取使程序纳入正规的措施，如指令冗余指令冗余、软软件陷阱件陷阱、“看门狗看门狗”技术技术等；等；3.3.发现程序失控后，解决系统恢复正常运行的方法，发现程序失控后，解决

16、系统恢复正常运行的方法，如重要信息的恢复，系统重入的条件等；如重要信息的恢复，系统重入的条件等；第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计 与模拟滤波器相比，有以下几个优点与模拟滤波器相比，有以下几个优点: : 1 1. .数字滤波是用数字滤波是用程序实现程序实现的，不需要增加硬设备，的，不需要增加硬设备，所以可靠性高，稳定性好。所以可靠性高，稳定性好。 2 2. .数字滤波可以对频率很低数字滤波可以对频率很低( (如如0.01Hz)0.01Hz)的信号实的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计

17、计算机控制控制系统软件设计 主要数字滤波算法：主要数字滤波算法：算术平均值法、中位值滤波算术平均值法、中位值滤波法、限幅滤波法、惯性滤波法法、限幅滤波法、惯性滤波法 3. 数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。点。第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计 算术平均值法是对输入的算术平均值法是对输入的N个采样数据个采样数据xi(i=1N)，寻找这样一个寻找这样一个y，使，使y与各采样值间的与各采样值间的偏差的平方和偏差的平方和为为最

18、小，使最小，使由一元函数求极值原理可得：由一元函数求极值原理可得：NiiE12)(minxyNiiN11xy第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计1234567891024252027246024252623采样数据明显存在被干扰被干扰现象现象（彩色数据）。采用算术平均值滤波算术平均值滤波后，其采样值采样值为：Y=(24+25+20+27+24+60+24+25+ 26+23)/10=28序 号采样值第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计特点特点：1）N值决定了信号平滑度和灵敏度值决定了信号平滑度和灵敏度。随着。随着N的增大，平的增大

19、，平滑度提高，灵敏度降低。应该视具体情况选择滑度提高，灵敏度降低。应该视具体情况选择N，以便，以便得到满意的滤波效果。得到满意的滤波效果。2）对每次采样值给出）对每次采样值给出相同的加权系数相同的加权系数，即，即1/N。在不同。在不同采样时刻采集数据受到同样重视。实际上某些场合需要采样时刻采集数据受到同样重视。实际上某些场合需要增加新采样值在平均值中的比重，可采用增加新采样值在平均值中的比重，可采用加权平均值加权平均值滤滤波法。波法。 滤波公式为：滤波公式为：Y=R0Y0+ R1Y1+ R2Y2+ RmYm。第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计3 3）平均值滤波

20、法一般适用平均值滤波法一般适用于具有周期性干扰噪声的信于具有周期性干扰噪声的信号，但对偶然出现的号，但对偶然出现的脉冲干扰信号脉冲干扰信号，滤波效果尚不理想。，滤波效果尚不理想。 中位值滤波法中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样m次(m3)且是奇数，并按大小顺序排列；再取中间值作为本次采样的有效数据。第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计特点特点:中位值滤波法对脉冲干扰信号等中位值滤波法对脉冲干扰信号等偶然因素引发的偶然因素引发的干扰有良好的滤波效果干扰有良好的滤波效果。 如对温度、液位等变化缓慢的被测参数采用此法如对温度、液位等变化缓慢的被测参数采用此法会收到

21、良好的滤波效果；会收到良好的滤波效果； 对流量、速度等快速变化的参数一般对流量、速度等快速变化的参数一般不宜不宜采用中采用中位值滤波法位值滤波法中位值滤波法中位值滤波法和和平均值滤波法平均值滤波法结合起来使用，滤波效结合起来使用，滤波效果会更好。即在每个采样周期，先用中位值滤波法得果会更好。即在每个采样周期，先用中位值滤波法得到到m个滤波值，再对这个滤波值，再对这m个滤波值进行算术平均，得个滤波值进行算术平均，得到可用的被测参数。也称为到可用的被测参数。也称为去脉冲干扰平均值滤波法去脉冲干扰平均值滤波法. 第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计1234567892

22、42520272460242526例：某压力仪表采样数据如下：例：某压力仪表采样数据如下：序序 号号采样值采样值采样数据明显存在采样数据明显存在被干扰被干扰现象（彩色数据）。现象（彩色数据）。采用采用去脉冲干扰平均值滤波去脉冲干扰平均值滤波后，其采样值为：后，其采样值为：25对对1、2、3次采样中位值滤波后值：次采样中位值滤波后值：24对对4、5、6次采样中位值滤波后值：次采样中位值滤波后值：27对对7、8、9次采样中位值滤波后值：次采样中位值滤波后值：25第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计 由于大的随机干扰随机干扰或采样器的不稳定采样器的不稳定，使得采样数据

23、偏离实际值太远，为此采用上、下限限幅采用上、下限限幅，即 当y(n)yH时，则取y(n)=yH(上限值)； 当y(n)yL时，则取y(n)=yL(下限值)； 当yLy(n)yH时，则取y(n)。而且采用限速采用限速(亦称)，即 当|y(n)-y(n-1)|y0时，则取y(n); 当|y(n)-y(n-1)|y0时，则取y(n)=y(n-1)。其中y0为两次相邻采样值之差的可能。第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计 y0值的选取，取决于采样周期T及被测参数y应有的正常变化率。 因此，一定要按照实际情况来确定一定要按照实际情况来确定y0、yH及及yL，否则，非但达不

24、到滤波效果，反而会降低控制品质。第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计其中Tf=RC,它的滤波效果取决于滤波时间常数滤波时间常数Tf。因此，RC滤波器不可能对的信号进行滤波。为此，人们模仿上式做成一阶惯性滤波器一阶惯性滤波器亦称低通滤波器低通滤波器。 sTsxsyf11)()()()() 1()(nxnyTnynyTsf 即将上式写成差分方程 常用的RC滤波器的传递函数是第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计 根据惯性滤波器的频率特性惯性滤波器的频率特性，若滤波，。因此，需要根据实际情况，适当选取值，使得被测参数既不出现明显的纹波，反

25、应又不太迟缓。其中，= 称为滤波系数滤波系数，且01，Ts为采样周期，Tf为滤波器时间常数。稍加整理得) 1()()1 () 1()()(nynxnyTTTnxTTTnysffsfssffTTT第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计 干扰信号多呈毛刺状，作用时间短，利用这一特点，我们干扰信号多呈毛刺状，作用时间短，利用这一特点，我们在采集某一开关量信号时，可在采集某一开关量信号时，可多次重复采集多次重复采集，直到连续两次或，直到连续两次或两次以上两次以上结果完全一致结果完全一致方为有效。方为有效。1、开关量、开关量(数字量数字量)信号信号输入输入抗干扰措施抗干扰措

26、施第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计2、开关量、开关量(数字量数字量)信号信号抗干扰措施抗干扰措施 在软件上，最为有效的方法就是重复输出同一个数据。只要有可能，其重复周期尽可能短些。 输出设备是电位控制型电位控制型还是，对干扰的敏感性敏感性相差较大。 前者有良好的抗“毛刺”干扰能力，后者不耐干扰，当锁存线上出现干扰时，它就会盲目锁存当前的数据，也不管此时数据是否有效。 第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计CPU受干扰后，往往将受干扰后，往往将当作当作，造成程序混乱。，造成程序混乱。当程序弹飞到一单字节指令上时，便自动纳入正轨；当

27、程序弹飞到一单字节指令上时，便自动纳入正轨；当程序弹飞到一双字节指令上时（操作码、操作数），有当程序弹飞到一双字节指令上时（操作码、操作数），有可能落到操作数上，从而继续出错；可能落到操作数上，从而继续出错；当程序弹飞到一三字节指令上时（操作码、操作数、操当程序弹飞到一三字节指令上时（操作码、操作数、操作数），因其有两个操作数，从而继续出错机会更大作数），因其有两个操作数，从而继续出错机会更大 。 应多采用单字节指令，并在关键地方人为插入一些单字应多采用单字节指令，并在关键地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重复书写，提高弹飞程序纳入节指令，或将有效单字节指令重复书写，提高弹飞程序纳

28、入正轨的机会，这便是正轨的机会，这便是。第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计如：利用减法比较两无符号数的大小程序（数放如：利用减法比较两无符号数的大小程序（数放A、B中）：中）：无指令冗余程序无指令冗余程序：CLRCSUBB A,BJCBBIGBBIG:NOP.有指令冗余的情况：有指令冗余的情况：CLRCSUBB A,BNOPNOPJCBBIGBBIG:NOP.指令冗余缺点：指令冗余缺点：降低指令执行效率降低指令执行效率第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计实现方法实现方法： 在一些对程序流向起决定作用的在一些对程序流向起决定作用的

29、指令之前指令之前插入两条插入两条NOP指令，以保证弹飞的程序迅速纳入正确的控制轨道。指令，以保证弹飞的程序迅速纳入正确的控制轨道。 这些指令有：这些指令有：RET、RETI、LCALL、LJMP、JZ/JNZ、JC/JNC、JB/JNB、JBC、CJNE、DJNZ等。等。第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计指令冗余特点指令冗余特点：1、降低正常程序执行的效率；降低正常程序执行的效率；2、可以减少程序弹飞的次数，使其很快纳入程序轨道，可以减少程序弹飞的次数，使其很快纳入程序轨道，使使CPU按按“操作码、操作数操作码、操作数”方式运行，但不能保证失控方式运行，但不能

30、保证失控期间不干坏事，更不能保证程序纳入正常轨道后太平无事。期间不干坏事，更不能保证程序纳入正常轨道后太平无事。因为弹飞的程序已经偏离正常顺序，做了不该做的事。解因为弹飞的程序已经偏离正常顺序，做了不该做的事。解决这个问题还要靠决这个问题还要靠软件容错技术软件容错技术，减少或消灭程序误动作。，减少或消灭程序误动作。3、指令冗余使弹飞程序安定下来是有条件的，首先弹飞指令冗余使弹飞程序安定下来是有条件的，首先弹飞的程序要落到程序区，其次必须执行到冗余的指令。的程序要落到程序区，其次必须执行到冗余的指令。 当程序弹飞到非程序区时，或弹飞的程序碰到冗余指当程序弹飞到非程序区时，或弹飞的程序碰到冗余指令

31、前已形成死循环，都会使冗余指令失去作用。令前已形成死循环，都会使冗余指令失去作用。第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计所谓软件陷阱所谓软件陷阱，就是一条引导指令，强行将扑获的，就是一条引导指令，强行将扑获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。出错进行处理的程序。软件陷阱由三条指令构成：软件陷阱由三条指令构成：NOPNOPLJMP ERR ;ERR错误处理程序入口错误处理程序入口第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计软件陷阱安排在下列四种地方：软件陷阱安排在下

32、列四种地方：1）未使用的中断向量区）未使用的中断向量区2）未使用的大片）未使用的大片ROM区区3）表格区尾部）表格区尾部4）程序区）程序区 由于都安排在正常程序执行不到的地方，故不影响程序执行效率，在当前EPROM容量不成问题的条件下，还是多多益善。 第第7 7章章 计算机控制控制系统软件设计计算机控制控制系统软件设计软件陷阱安排在程序的断裂点处软件陷阱安排在程序的断裂点处，这类指令有，这类指令有LJMP、SJMP、AJMP、RET、RETI，正常执行的程序到此便不会继续往下执行，如果还要顺序执行，必，正常执行的程序到此便不会继续往下执行，如果还要顺序执行，必然是出错了，就有必要设陷阱将其扑捉出来。然是出错了，就有必要设陷阱将其扑捉出来。如根据