微机控制系统第六章课件

第六章应用程序设计与实现技术学习要求:1．了解程序设计技术的一般过程，了解数字控制器的工程实现;2．熟悉测量数据预处理技术，掌握系统的有限字长数值问题和软件抗干扰技术。1第六章应用程序设计与实现技术学习要求:1第六章应用程序设计与实现技术第一节

程序设计技术

一个完整的程序设计过程可以用右图来说明。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。2第六章应用程序设计与实现技术第一节程序设计技术第六章应用程序设计与实现技术第一节程序设计技术

程序设计方法：一、模块化与结构化程序设计

1．模块化程序设计

1)自底向上模块化设计

2)自顶向下模块化设计

2．结构化程序设计

结构化程序设计是一种程序设计技术，它采用自顶向下逐步求精的设计方法和单入口单出口的控制结构。

3第六章应用程序设计与实现技术第一节程序设计技术第六章应用程序设计与实现技术第一节程序设计技术

程序设计的五个步骤。即问题定义、程序设计、编码、调试、改进和再设计。问题定义阶段是要明确计算机完成哪些任务、执行什么程序，决定输入输出的形式，与接口硬件电路的连接配合以及出错处理方法；程序设计是利用程序对任务做出描述，使用的方法有模块程序设计法和结构化程序设计法；编码是指程序设计人员选取一种适当的高级(或汇编)语言，书写程序；调试就是利用各种测试方法检查程序的正确性；改进和再设计是根据调试中的问题对原设计作修改，并对程序进行改进设计和补充。一、模块化与结构化程序设计4第六章应用程序设计与实现技术第一节程序设计技术第六章应用程序设计与实现技术第一节程序设计技术二、高级语言与汇编语言混合编程

1．汇编语言编程例如：INAX，2l0HMOVDX，220HINAL，DX

又如：MOVDX，230HMOVAX，3435HOUTDX，AXMOVAL，26HOUT240H，AL5第六章应用程序设计与实现技术第一节程序设计技术二、高级第六章应用程序设计与实现技术第一节

程序设计技术二、高级语言与汇编语言混合编程

2．高级语言编程

例如：

A1=_inpw(0x210)A2=_inp(0x220)

又如：

_outpw(0x230，0x3435)_outp(0x240，0x26)6第六章应用程序设计与实现技术第一节程序设计技术二、第六章应用程序设计与实现技术第一节

程序设计技术

三、工业控制组态软件

组态软件，又称监控组态软件，译自英文SCADA,即Supervision,ControlandDataAquisition(数据采集与监视控制),组态软件的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统(RTUSystem,RemoteTerminalUnit)。

7第六章应用程序设计与实现技术第一节程序设计技术第六章应用程序设计与实现技术第一节

程序设计技术

三、工业控制组态软件

组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的HMI（人机接口软件，HumanMachineInterface）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具，或开发环境。8第六章应用程序设计与实现技术第一节程序设计技术第六章应用程序设计与实现技术第一节

程序设计技术

三、工业控制组态软件国内组态软件：

1.力控ForceControl组态软件（北京三维力控科技有限公司

2.组态王KingView组态软件（北京亚控科技发展有限公司）

3.realinfo组态软件(紫金桥软件技术有限公司)

4.MCGS组态软件(北京昆仑通态自动化软件科技有限公司)5.开物(controx)组态软件

6.易控(INSPEC)”

组态软件国外组态软件：

1、InTouch2、IFix3、Citech

4、WinCC（西门子）

9第六章应用程序设计与实现技术第一节程序设计技术第六章应用程序设计与实现技术第一节

程序设计技术

三、工业控制组态软件组态软件实例

随着组态软件技术的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。10第六章应用程序设计与实现技术第一节程序设计技术第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理技术

一、系统误差的自动校准

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。这种误差的特点是，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，因此原则上讲，系统误差是可以通过适当的技术途径来确定并加以校正的。在系统的测量输入通道中，一般均存在零点偏移和漂移，产生放大电路的增益误差及器件参数的不稳定等现象，这些误差都属于系统误差。11第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理技术

一、系统误差的自动校准

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。调零电路如图。信号调理信号转换信号处理12第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理技术

一、系统误差的自动校准

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A/D转换器的输出为x0，用x1减去x0即为实际输入电压x。采用这种方法，可去掉输入电路、放大电路、A/D转换器本身的偏移及随时间和温度而发生的各种漂移的影响，从而大大降低对这些电路器件的偏移值的要求，简化硬件成本。13第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理技术

一、系统误差的自动校准14第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理技术

一、系统误差的自动校准1.全自动校准全自动校准由系统自动完成，不需人的介入，其电路结构见上图。该电路的输入部分加有一个多路开关。系统在刚上电时或每隔一定时间时，自动进行一次校准。这时，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可用下式计算得出:

15第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理技术

一、系统误差的自动校准2.人工自动校准

全自动校准只适于基准参数是电信号的场合，并且它不能校正由传感器引入的误差。为了克服这种缺点，可采用人工自动校准。人工自动校准的原理与全自动校准差不多。只是现在不是自动定时进行校准，而是由人工在需要时接入标准的参数进行校准测量，把测得的数据存储起来，供以后使用。一般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。

16第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理技术

二、线性化处理铂热电阻的阻值与温度的关系

Pt100铂电阻适用于-200～850℃全部或部分范围内测温，其主要特性是测温精度高，稳定性好。Pt100铂热电阻的阻值与温度的关系为：在-200～0℃范围内，有：Rt=R0〔1+At+Bt2+C(t-100℃)t3〕

在0～850℃范围内，有：Rt=R0(1+At+Bt2)

其中：A=3.90802×10-3℃-1B=-5.802×10-7℃-2C=-4.27350×10-12℃-4R0=100Ω（0℃的电阻值）17第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理技术

二、线性化处理2.热电偶的热电势与温度的关系

热电偶的热电势同所测温度之间是非线性关系。例如铁—康铜热电偶，在0～400℃范围内，当允许误差＜±1℃，按下式计算温度:T=a4E4+a3E3+a2E2+a1E

式中E为热电势〔mV〕，T为温度〔℃〕，

a1=1.9750953×10a2=-1.8542600×10-1a3=8.3683958×10-1a4=-1.3280568×10-4又例如，镍铬—镍铝热电偶，在400℃～1000℃范围内，按下式计算温度

T=b4E4+b3E3+b2E2+b1E+b0

式中E为热电势〔mV〕，T为温度〔℃〕，

b0=-2.4707112×10b1=-2.9465633×10b2=-1.8542600×10-1b3=6.5075717×10-3b4=-3.9663834×10-518第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理技术

三、标度变换方法

计算机控制系统在读入被测模拟信号并转换成数字量后，往往要转换成操作人员所熟悉的工程值。这是因为被测量对象的各种数据的量纲与A/D转换的输入值是不一样的。例如，压力的单位为Pa，流量的单位为m3/h，温度的单位为℃等。这些参数经传感器和A/D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，故必须把它转换成带有量纲的数值后才能运算、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。

19第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理技术

三、标度变换方法

这种标度变换的前提是参数值与A/D转换结果之间为线性关系，是最常用的变换方法。它的变换公式如下:Y=(Ymax-Ymin)(X-Nmin)/(Nmax-Nmin)+Ymin

其中：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A/D转换后的输入值，Nmin表示量程起点Ymin对应的A/D转换后的输入值，X表示测量值Y对应的A/D转换值。1.线性变换公式20第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理技术

三、标度变换方法

有些传感器测出的数据与实际的参数不是线性关系，它们有着由传感器和测量方法决定的函数关系，并且这些函数关系可用解析式来表示，可采用直接按解析式来计算。如当用差压变送器来测量信号时，由于差压与流量的平方成正比，这样，实际流量Y与差压变送器并经A/D转换后的测量值X成平方根关系。这时可采用如下计算公式：2.公式转换法

21第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理技术

四、越限报警处理

由采样读入的数据或经计算机处理后的数据是否超出工艺参数的范围，计算机要加以判别，如果超越了规定数值，就需要通知操作人员采样相应的措施，确保生产安全。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为xmax和xmin，则上下限报警的物理意义如下：上限报警：若xn＞xmax则上限报警，否则继续执行原定操作。下限报警：若xn＜xmin,则下限报警，否则继续执行原定操作。上下限报警：若xn＞xmax，则上限报警，否则对下式做判别：xn＜xmin

否？若是则下限报警，否则继续原定操作。根据上述规定，程序可以实现对被参数y、偏差e以及控制量u进行上下限检查。

22第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实现

数字控制器的算法程序可被所有的控制回路公用，只是各控制回路的原始数据不同。因此，必须为每个回路提供一段内存数据区，以便存放参数。既然数字控制器是公共子程序，那就应该在设计时，必须考虑各种工程实际问题，并含有多种功能，以便用户选择。数字控制器算法的工程实际可分为6部分，如图所示数字控制器（PID)的控制模块。

23第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实现

一、给定值和被控量处理1.给定值处理

给定值处理包括选择定值SV和给定值变化率限制SR两部分，如图所示。通过选择软开关CL/CR，可以构成内给定状态或外给状态；通过选择软开关CAS/SCC，可以构成串级控制CAS或SCC控制。内给定值外给定值给定值变化率限制24第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实现

一、给定值和被控量处理1.给定值处理

（1）内给定状态:当软开关CL/CR切向CL位置时，选择操作员设置的给定值SVL。这时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。

(2)外给定状态:当软开关CL/CR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。

A.SCC控制:当软开关CAS/SCC切向位置SCC位置时，接收自上位计算机的给定值SVS，以便实现二级计算机控制。

B.串级控制:当软开关CAS/SCC切向CAS位置时，给定值SVC来自主调节模块，实现串级控制。25第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实现

一、给定值和被控量处理1.给定值处理(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，过小使响应变慢，过大达不到限制的目地的。综上所述，在给定值处理框图中，共具有3个输入量(SVL、SVC、SVS)，2个输出量(SV、CSV)，2个开关量(CL/CR，CAS/SCC)，1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。26第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实现

一、给定值和被控量处理2.被控制量处理

为了安全运行，需要对被控量PV进行上下限报警处理，其原理如图所示。上限报警下限报警被控量变化率报警死区27第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实现

一、给定值和被控量处理2.被控制量处理

当PV＞PH(上限值)时，则上限报警状态(PHA)“1”；当PV＜PL(下限值)时，则下限报警状态(PLA)“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PHA/PLA的状态频繁改变，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加限制。变化率的选取要适中，过小会使响应变慢，过大则不到限制的目地。

28第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实现

二、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等四部分，如图所示。偏差报警方向控制输入补偿输入补偿量29第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实现

二、偏差处理

1.计算偏差

根据正/反作用方式(D/R)计算偏差DV，即：当D/R=0，代表正作用，此时偏差DV+=CPV-CSV；当D/R=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＞DL时，则偏差报警状态DLA为“1”。30第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实现

二、偏差处理

3.输入补偿根据输入补偿方式ICM状态，决定偏差DVC与补偿量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补偿(Smith)控制。31第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实现

二、偏差处理

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，非线性特性如图所示。当K=0时，则为带死区的PID控制；当0＜K＜1时，则为非线性PID控制；当K=1时，则为正常的PID控制。32第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实现

三、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，如图所示。以PID控制算法为例，当软开关DV/PV切向DV位时，则选用偏差微分方式；当软开关DV/PV切向PV位置时，则选用测量(即被控量)微分方式。CPV33第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实现

四、控制量处理

一般情况下，在输出控制量Uk以前，还应经过图所示的各项处理和判断，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：当OCM=0，代表无补偿，此时Uc=Uk当OCM=1，代表加补偿，此时Uc=Uk+OCV当OCM=2，代表减补偿，此时Uc=Uk-OCV当OVM=3，代表置换补偿，此时Uc=OCV输出补偿变化率限制34第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实现

四、控制量处理2.变化限制：为了实现平稳操作，需要对控制量的变化率MR加以限制。变化率的选取要适中，过小会使操作缓慢，过大则达不到限制的目的。

3.输出保持：当软开关FH/NH切向NH位置时，现时刻的控制量u(k)等于前一时刻的控制量u(k-1)，也就是说，输出控制量保持不变。当软开关FH/NH切向FH位置时，又恢复正常输出方式。软开关FH/NH状态一般来自系统安全报警开关。

4.安全输出：当软开关FS/NS切向NS位置时，现时刻的控制量等于预置的安全输出量MS。当软开关FS/NS切向FS位置时，又恢复正常输出方式。软开关FS/NS状态一般来自系统安全报警开关。35第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实现

五、自动手动切换

在正常运行时，系统处于自动状态，而在调试阶段或出现故障时，系统处于手动状态。下图为自动/手动切换处理框图。手动自动选择控制量限幅36第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实现

五、自动手动切换1.软自动/软手动当软开关SA/SM切向SA位置时，系统处于正常的自动状态，称为软自动(SA)；反之，切向SM位置时，控制量来自操键盘或上位计算机，此时系统处于计算机手动状态，称为软手动(SM)。一般在调试阶段，采用软手动(SM)方式。

2.控制量限幅为了保证执行机构工作在有效范围内，需要对控制量Us进行上、下限限幅处理，使得ML≤MV≤MH，再经D/A转换器输出0～10mA（DC）或4～20mA(DC)。

37第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实现

五、自动手动切换

3.自动/手动对于一般的计算机控制系统，可采用手动操作器作为计算机的后备操作。当切换开关处于HA位置时，控制量MV通过D/A输出，此时系统处于正常的计算机控制方式，称为自动状态(HA状态)；反之，若切向HM位置，则计算机不再承担控制任务，由运行人员通过手动操作器输出0～10mA（DC）或4～20mA(DC)信号，对执行机构进行远方操作，这称手动状态(HM状态)。38第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实现

五、自动手动切换

4.无平衡无扰动切换

为了完成无平衡无扰动切换，就需采取以下措施。为了实现从手动到自动的无平衡无扰动切换，在手动(SM或HM)状态下，尽管并不进行PID计算，但应使给定值(CSV)跟踪被控量(CPV)，同时也要把历史数据，如e(k-1)和e(k-2)清零，还要使u(k-1)跟踪手动控制量(MV和VM)。这样，一旦切向自动而u(k-1)又等于切换瞬间的手动控制量，这就保证了PID控制量的连续性。当然，这一切需要有相应的硬件电路配合。当从自动(SA与HA)切向手动(SM)时，只要计算机应用程序工作正常，就能自动保证无扰动切换。当从自动(SA与HA)切向硬手动(HM)时，通过手动操作器电路，也能保证无扰动切换。39第六章应用程序设计与实现技术第三节数字控制器的工程实第六章应用程序设计与实现技术第四节系统的有限字长数值问题

实现一个计算机控制系统时必须回答这样一些问题：转换器应有多精确？在计算中要求什么样的精度？为了回答这些问题，必须了解限制条件的影响并估计其对闭环系统造成的后果。这并不是一个无关紧要的问题，因为其答案与反馈、算法和采样速率的综合作用有关。

40第六章应用程序设计与实现技术第四节系统的有限字长数第六章应用程序设计与实现技术第四节系统的有限字长数值问题

一、量化误差来源

1.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q=1/(2n1-1)≈2-n1

称为量化单位。

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位，即：x=Lq+ε

式中L为整数，对于余数ε(ε＜q)可以用截尾或舍入来处理。所谓截尾就是舍掉数值中小于q的余数，其截尾误差εt

为：εt=xr-x

式中：x为实际数值，xr

舍入后的数值。显然-q<εt≤0。所谓舍入是指，当被舍掉的余数ε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ε小于量化单位的一半时，则舍掉ε。这时舍入误差为：εr=xr-x

式中x为实际数值，xr舍入后的数值。显然-q/2≤εt≤q/2。41第六章应用程序设计与实现技术第四节系统的有限字长数第六章应用程序设计与实现技术第四节系统的有限字长数值问题

一、量化误差来源

1.量化误差在计算机控制系统中数值误差源有三个：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。在运算之前，运算式的参数（PID）算式的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。另处在运算过程中，也会产生误差。这些是在CPU内产生的第二次量化误差。计算机输出的数字控制时经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。42第六章应用程序设计与实现技术第四节系统的有限字长数第六章应用程序设计与实现技术第四节系统的有限字长数值问题

一、量化误差来源

2.量化误差来源从图可以看出，产生量化误差的原因主要有以下几个方面。43第六章应用程序设计与实现技术第四节系统的有限字长数第六章应用程序设计与实现技术第四节系统的有限字长数值问题

一、量化误差来源

2.量化误差来源（1）A/D转换的量化效应（2）控制规律计算中的量化效应（3）控制参数的量化效应（4）D/A转换的量化效应44第六章应用程序设计与实现技术第四节系统的有限字长数第六章应用程序设计与实现技术第四节系统的有限字长数值问题

二、A/D、D/A及运算字长的选择

1．A/D转换器的字长选择为把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。确定字长要考虑的因素是：输入信号x的动态范围和分辨率。（1）输入信号的动态范围设输入信号的最大值和最小值之差为:

Xmax-xmin=(2n1-1)λ〔mV〕

式中n1为A/D转换器的字长，λ为转换当量〔mV/bit〕

动态范围为

:

2n1-1=(xmax-xmin)/λA/D转换器字长为：

n1≥log2(1+(xmax-xmin)/λ)45第六章应用程序设计与实现技术第四节系统的有限字长数第六章应用程序设计与实现技术第四节系统的有限字长数值问题

二、A/D、D/A及运算字长的选择（2）分辨率有时对A/D器的字长要求以分辨率形式给出。分辨率定义为：

D=1/(2n1-1)

如果所要求的分辨率为D0，则字长为：

n1≥log2(1+1/D0)46第六章应用程序设计与实现技术第四节系统的有限字长数第六章应用程序设计与实现技术第四节系统的有限字长数值问题

二、A/D、D/A及运算字长的选择

2.D/A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推动执行机构的最大输入值为umax,最小输入值为umin，灵敏度为λ，参照D/A转换器的字长：n1≥log2(1+(umax-umin)/λ

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字长小于或等于A/D字长。在计算机控制中，常用的A/D和D/A转换器字长为8位、10位和12位，按照上述分式估算出的字长取整后在这三种之一。特殊被控对象，可选更高分辨率（如14位、16位、18位等）的A/D和D/A转换器。47第六章应用程序设计与实现技术第四节系统的有限字长数第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术

一、数字滤波技术在工业过程控制系统中，由于被控对象所处环境比较恶劣，常存在有干扰源，如环境温度、电场、磁场等，使采样值偏离真实值。对于各种随机出现的干扰信号，在微机组成的自动检测系统中，常通过一定的计算程序，对多次采样信号构成的数据系列进行平滑加工，以提高其有用信号在采样值中所占的比例，减少乃至消除各种干扰及噪音，以保证系统工作的可靠性。48第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术

一、数字滤波技术数字滤波器与模拟RC滤波器相比，具有如下优点：●无需增加任何硬设备，只要在程序进入数据处理和控制算法之前，附加一段数字滤波程序即可。●由于数字滤波器不需增加硬设备，所以系统可靠性高，不存在阻抗匹配问题。●模拟滤波器通常是各通道专用，而数字滤波器则可多通道共享，从而降低了成本。●可以对频率很低(如0.01Hz)的信号进行滤波，而模拟滤波器由于受电容容量的限制，频率不可能太低。●使用灵活、方便，可根据需要选择不同的滤波方法，或改变滤波器的参数。49第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术

一、数字滤波技术（一）程序判断滤波经验说明，许多物理量的变化都需要一定的时间，相邻两次采样值之间的变化有一定的限度。程序判断滤波的方法，便是根据生产经验，确定出相邻两次采样信号之间可能出现的最大偏差ΔY。若超过此偏差值，则表明该输入信号是干扰信号，应该去掉；如小于此偏差值，可将信号作为本次采样值。当采样信号由于随机干扰，如大功率用电设备的启动或停止，造成电流的尖峰干扰或误检测，以及变送器不稳定而引起的严重失真等，可采用程序判断法进行滤波。50第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术

一、数字滤波技术（一）程序判断滤波

1．限幅滤波限幅滤波的作法是把两次相邻的采样值想减，求出其增量（绝对值），然后与两次采样允许的最大差值（由被控对象的实际情况决定）△Y进行比较，若小于或等于△Y，则取本次采样值；若大于△Y，则仍取上次采样值作为本次采样值，即：

|Y(k)-Y(k-1)|≤△Y，则Y(k)=Y(k)，取本次采样值

|Y(k)-Y(k-1)|>△Y，则Y(k)=Y(k-1)，取上次采样值式中:Y(k)——第k次采样值；

Y(k-1)——第(k-1)次采样值；51第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术

一、数字滤波技术（一）程序判断滤波

1．限幅滤波这种程序滤波方法，主要用于变化比较缓慢的参数，如温度、物理位置等测量系统。使用时关键问题是最大允许误差△Y的选取，△Y太大，各种干扰信号将“乘机而入”，使系统误差增大；△Y太小，又会使某些有用信号被“拒之门外”，使计算机采样效率变低。因此，门限值△Y的选取是非常重要的。通常可根据经验数据获得，必要时，也可由实验得出。52第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术

一、数字滤波技术（一）程序判断滤波

2．限速滤波限幅滤波是用两次采样值来决定采样结果，而限速滤波则最多可用三次采样值来决定采样结果。其方法是，当|Y(2)-Y(1)|>△Y时，不是象限幅滤波那样，用Y(1)作为本次采样值，而是再采样一次，取得Y(3)，然后根据|Y(3)-Y(2)|与△Y的大小关系来决定本次采样值。其具体判别式如下。设顺序采样时刻t1、t2、t3所采集的参数分别为Y(1)、Y(2)、Y(3)，那么当|Y(2)-Y(1)|≤△Y时，Y(2)输入计算机；当|Y(2)-Y(1)|>△Y时，Y(2)不采用，但仍保留，继续采样取得Y(3)当|Y(3)-Y(2)|≤△Y时，Y(3)输入计算机当|Y(3)-Y(2)|>△Y时，则取（Y（2）+Y（3））/2输入计算机53第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术

一、数字滤波技术（二）中值滤波所谓中值滤波是对某一参数连续采样n次(一般n取奇数)，然后把n次的采样值从小到大，或从大到小排队，再取其中间值作为本次采样值。中值滤波对于去掉偶然因素引起的波动或采样器不稳定而造成的误差所引起的脉动干扰比较有效。若变量变化比较缓慢，采用中值滤波效果比较好，但对快速变化过程的参数，如流量，则不宜采用。54第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术

一、数字滤波技术（三）算术平均值滤波算术平均值法是要按输入的N个采样为数据x1(i=1～N),寻找这样一个Y，使Y与各采样值间的偏差的平方和为最小，使：由一元函数求极值原理可得:55第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术一第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术

一、数字滤波技术（三）算术平均值滤波

算术平均滤波主要用于对压力、流量等周期脉动的采样值进行平滑加工，但对脉冲性干扰的平滑作用尚不理想。因而它不适用于脉冲性干扰比较严重的场合。采样次数N，取决于平滑度和灵敏度。随着N值的增大，平滑度将提高，灵敏度降低。通常对流量参数滤波时，N取12次，对压力取4次，至于温度，如无噪声干扰可不平均。56第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术

一、数字滤波技术（四）加权平均值滤波

算术平均值中，对于N次以内所有的采样值来说，所占的比例是相同的，亦即取每次采样值的1/N。但有时为了提高滤波效果，将各采样值取不同的比例，然后再相加，此方法称为加权平均法。一个n项加权平均式为：

式中C0、C1、C2、···、Cn-1为各次采样值的系数，它体现了各次采样值在平均值中所占的比例，可根据具体情况决定。一般采样次数愈靠后，取的比例愈大，这样可增加新的采样值在平均值中的比例。这种滤波方法可以根据需要突出信号的某一部分，抑制信号的另一部分。57第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术

一、数字滤波技术（五）滑动平均值滤波

不管是算术平均值滤波，还是加权平均值滤波，都需连续采样N个数据，然后求算术平均值或加权平均值。这种方法适合于有脉动式干扰的场合。但由于必须采样N次，需要时间较长，故检测速度慢。为了克服这一缺点，可采用滑动平均值滤波法。即先建立一个数据缓冲区，依顺序存放N次采样数据，每采进一个新数据，就将最早采集的那个数据丢掉，而后求包括新数据在内的N个数据的算术平均值或加权平均值。这样，每进行一次采样，就可计算出一个新的平均值，从而大大加快了数据处理的速度。这种滤波程序设计的关键是，每采样一次，移动一次数据块，然后求出新一组数据之和，再求平均值。滑动平均值滤波程序有两种，一种是滑动算术平均值滤波，一种是滑动加权平均值滤波。58第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术

一、数字滤波技术

（六）RC低通数字滤波前面讲的几种滤波方法基本上属于静态滤波，主要适用于变化过程比较快的参数，如压力、流量等。但对于慢速随机变量采用短时间内连续采样求平均值的方法，其滤波效果往往不够理想。为了提高滤波效果，可以仿照模拟系统RC低通滤波器的方法，用数字形式实现低通滤波。模拟低通滤波器的传递函数

τ为RC滤波器的时间常数，τ=RC。

59第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术

一、数字滤波技术

（六）RC低通数字滤波

RC低通滤波器实际上是一个一阶滞后滤波系统。将传递函数离散后，可得：Y(k)=(1-α)Y(k-1)+αX(k)

该式即为模拟RC低通滤波器的数字滤波器其中：X(k)—第k次采样值；Y(k-1)—第k-1次滤波结果输出值；Y(k)—第k次滤波结果输出值；α—滤波平滑系数，α=l-e-T/τ；T—采样周期。对于一个确定的采样系统而言，T为已知量，由α=l-e-T/τ，可得：

α《1时，ln(1-α)-1=α所以上式可简化为：τ≈T/α或α≈T/τ

从式中可清楚地看出，采样周期T和RC滤波器的时间常数τ及相应的数字滤波器的滤波平滑系数α之间的关系。60第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术

一、数字滤波技术（七）复合数字滤波为了进一步提高滤波效果，有时可以把两种或两种以上不同滤波功能的数字滤波器组合起来，组成复合数字滤波器，或称多级数字滤波器。例如，前面讲的算术平均滤波或加权平均滤波，都只能对周期性的脉动采样值进行平滑加工，但对于随机的脉冲干扰，如电网的波动，变送器的临时故障等，则无法消除。然而，中值滤波却可以解决这个问题。因此，我们可以将二者组合起来，形成多功能的复合滤波。即把采样值先按从大到小的顺序排列起来，然后将最大值和最小值去掉，再把余下的部分求和并取其平均值。61第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术

一、数字滤波技术（八）各种数字滤波性能的比较

1．滤波效果一般来说，对于变化比较慢的参数，如温度，可选用程序判断滤波及一阶滞后滤波方法。对那些变化比较快的脉冲参数，如压力、流量等，则可选择算术平均和加权平均滤波法，特别是加权平均滤波法更好。至于要求比较高的系统，需要用复合滤波法。在算术平均滤波和加权平均滤波中，其滤波效果与所选择的采样次数N有关。N越大，则滤波效果越好，但花费的时间也愈长。高通及低通滤波程序是比较特殊的滤波程序，使用时一定要根据其特点选用。

2．滤波时间在考虑滤波效果的前提下，应尽量采用执行时间比较短的程序，若计算机时间允许，可采用效果更好的复合滤波程序。62第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术

二、开关量的软件抗干扰技术

1.开关量(数字量)信号输入抗干扰措施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，可多次重复采集，直到连续两次或两次以上结果完全一致方为有效。若多次采样后，信号总是变化不定，可停止采集，给出报警信号，由于开关量信号主要是来自各类开关型状态传感器，如限位开关、操作按钮、电气触点等，对这些信号的采集不能用多次平均方法，必须绝对一致才行。如果开关量信号超过8个，可按8个一组进行分组处理，也可定义多字节信息暂存区，按类似方法处理。在满足实时性要求的前提下，如果在各次采集数字信号之间接入一段延时，效果会好一些，就能对抗较宽的干扰。63第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术

二、开关量的软件抗干扰技术

2．开关量(数字量)信号输出抗干扰措施

输出设备是电位控制型还是同步锁存型，对干扰的敏感性相差较大。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，也不管此时是否有效。输出设备和响应速度与干扰的耐受能力也有很大关系。惯性大的设备(如各类电磁执行机构)对“毛刺”干扰有一定的耐受能力。惯性小的输出设备(通信口中、显示设备)耐受能力就小一些。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。外设设备接受到一个被干扰的错误信息后，还来不及作出有效的反应，一个正确的输出信息又来到了，就可及时防止错误动作的产生。另外，各类数据锁存器尽可能和CPU安装在同一电路板上，使传输线上传送的都是已锁存的电位控制信号，对于重要的输出设备，最好建立检测通道，CPU可以检测通道来确定输出结果的正确性。64第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术

三、指令冗余技术当CPU受到干扰后，往往将一些操作数当作指令码来执行，引起程序混乱。当程序弹飞到某一单字节指令上时，便自动纳入正轨。当弹飞到某一双字节指令上时，有可能落到其操作数上，从而继续出错。当程序弹飞到三字节指令上时，因它有两个操作数，继续出错的机会就更大。因此，我们应多采用单字节指令，并在关键的地方人为地插入一些单字节指令(NOP)或将有效单字节指令重复书写，这便是指令冗余。指令冗余无疑会降低系统的效率，但在绝大多数情况下，(CPU)还不致于忙到不能多执行几条指令的程度，故这种方法还是被广泛采用。65第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术

四、软件陷阱技术

指令冗余使弹飞的程序安定下来是有条件的，首先，弹飞的程序必须落到程序区，其次，必须执行到冗余指令。所谓软件陷阱，就是一条引导指令，强行将捕获的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。如果我们把这段程序的入口标号记为ERR的话，软件陷阱即为一条无条件转移指令，为了加强其捕捉效果，一般还在它前面加两条NOP指令，因此真正的软件陷阱由3条指令构成:NOPNOPJMPERR

软件陷阱安排在以下四种地方：（1）未使用的中断向量区；（2）未使用的大片ROM空间；（3）表格；（4）程序区。由于软件陷阱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。

66第六章应用程序设计与实现技术第五节软件抗干扰技术第六章应用程序设计与实现技术学习要求:1．了解程序设计技术的一般过程，了解数字控制器的工程实现;2．熟悉测量数据预处理技术，掌握系统的有限字长数值问题和软件抗干扰技术。67第六章应用程序设计与实现技术学习要求:1第六章应用程序设计与实现技术第一节

程序设计技术

一个完整的程序设计过程可以用右图来说明。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。68第六章应用程序设计与实现技术第一节程序设计技术第六章应用程序设计与实现技术第一节程序设计技术

程序设计方法：一、模块化与结构化程序设计

1．模块化程序设计

1)自底向上模块化设计

2)自顶向下模块化设计

2．结构化程序设计

结构化程序设计是一种程序设计技术，它采用自顶向下逐步求精的设计方法和单入口单出口的控制结构。

69第六章应用程序设计与实现技术第一节程序设计技术第六章应用程序设计与实现技术第一节程序设计技术

程序设计的五个步骤。即问题定义、程序设计、编码、调试、改进和再设计。问题定义阶段是要明确计算机完成哪些任务、执行什么程序，决定输入输出的形式，与接口硬件电路的连接配合以及出错处理方法；程序设计是利用程序对任务做出描述，使用的方法有模块程序设计法和结构化程序设计法；编码是指程序设计人员选取一种适当的高级(或汇编)语言，书写程序；调试就是利用各种测试方法检查程序的正确性；改进和再设计是根据调试中的问题对原设计作修改，并对程序进行改进设计和补充。一、模块化与结构化程序设计70第六章应用程序设计与实现技术第一节程序设计技术第六章应用程序设计与实现技术第一节程序设计技术二、高级语言与汇编语言混合编程

1．汇编语言编程例如：INAX，2l0HMOVDX，220HINAL，DX

又如：MOVDX，230HMOVAX，3435HOUTDX，AXMOVAL，26HOUT240H，AL71第六章应用程序设计与实现技术第一节程序设计技术二、高级第六章应用程序设计与实现技术第一节

程序设计技术二、高级语言与汇编语言混合编程

2．高级语言编程

例如：

A1=_inpw(0x210)A2=_inp(0x220)

又如：

_outpw(0x230，0x3435)_outp(0x240，0x26)72第六章应用程序设计与实现技术第一节程序设计技术二、第六章应用程序设计与实现技术第一节

程序设计技术

三、工业控制组态软件

组态软件，又称监控组态软件，译自英文SCADA,即Supervision,ControlandDataAquisition(数据采集与监视控制),组态软件的应用领域很广，它可以应用于电力系统、给水系统、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领域。在电力系统以及电气化铁道上又称远动系统(RTUSystem,RemoteTerminalUnit)。

73第六章应用程序设计与实现技术第一节程序设计技术第六章应用程序设计与实现技术第一节

程序设计技术

三、工业控制组态软件

组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的HMI（人机接口软件，HumanMachineInterface）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具，或开发环境。74第六章应用程序设计与实现技术第一节程序设计技术第六章应用程序设计与实现技术第一节

程序设计技术

三、工业控制组态软件国内组态软件：

1.力控ForceControl组态软件（北京三维力控科技有限公司

2.组态王KingView组态软件（北京亚控科技发展有限公司）

3.realinfo组态软件(紫金桥软件技术有限公司)

4.MCGS组态软件(北京昆仑通态自动化软件科技有限公司)5.开物(controx)组态软件

6.易控(INSPEC)”

组态软件国外组态软件：

1、InTouch2、IFix3、Citech

4、WinCC（西门子）

75第六章应用程序设计与实现技术第一节程序设计技术第六章应用程序设计与实现技术第一节

程序设计技术

三、工业控制组态软件组态软件实例

随着组态软件技术的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容。76第六章应用程序设计与实现技术第一节程序设计技术第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理技术

一、系统误差的自动校准

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。这种误差的特点是，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，因此原则上讲，系统误差是可以通过适当的技术途径来确定并加以校正的。在系统的测量输入通道中，一般均存在零点偏移和漂移，产生放大电路的增益误差及器件参数的不稳定等现象，这些误差都属于系统误差。77第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理技术

一、系统误差的自动校准

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。调零电路如图。信号调理信号转换信号处理78第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理技术

一、系统误差的自动校准

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A/D转换器的输出为x0，用x1减去x0即为实际输入电压x。采用这种方法，可去掉输入电路、放大电路、A/D转换器本身的偏移及随时间和温度而发生的各种漂移的影响，从而大大降低对这些电路器件的偏移值的要求，简化硬件成本。79第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理技术

一、系统误差的自动校准80第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理技术

一、系统误差的自动校准1.全自动校准全自动校准由系统自动完成，不需人的介入，其电路结构见上图。该电路的输入部分加有一个多路开关。系统在刚上电时或每隔一定时间时，自动进行一次校准。这时，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可用下式计算得出:

81第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理技术

一、系统误差的自动校准2.人工自动校准

全自动校准只适于基准参数是电信号的场合，并且它不能校正由传感器引入的误差。为了克服这种缺点，可采用人工自动校准。人工自动校准的原理与全自动校准差不多。只是现在不是自动定时进行校准，而是由人工在需要时接入标准的参数进行校准测量，把测得的数据存储起来，供以后使用。一般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。

82第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理技术

二、线性化处理铂热电阻的阻值与温度的关系

Pt100铂电阻适用于-200～850℃全部或部分范围内测温，其主要特性是测温精度高，稳定性好。Pt100铂热电阻的阻值与温度的关系为：在-200～0℃范围内，有：Rt=R0〔1+At+Bt2+C(t-100℃)t3〕

在0～850℃范围内，有：Rt=R0(1+At+Bt2)

其中：A=3.90802×10-3℃-1B=-5.802×10-7℃-2C=-4.27350×10-12℃-4R0=100Ω（0℃的电阻值）83第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理第六章应用程序设计与实现技术第二节测量数据预处理技术

二、线性化处理2.热电偶的热电势与温度的关系

热电偶的热电势同所测温度之间是非线性关系。例如铁—康铜热电偶，在0～400℃范围内，当允许误差＜±1℃，按下式计算温度:T=a4E4+a3E3+a2E2+a1E

式中E为热电势〔mV〕，T为温度〔℃〕，

a1=1.9750953×10a2=-1.8542600×10-1a3=8.3683958×10-1a4=-1.328056