计算机控制系统中的应用程序设计

计算机控制系统中的应用程序设计午后这一堂是生理学实验。我只呆坐在桌边，看着对面的L大姐卷着袖子，低着头，按着一只死猫，在解剖神经，那刀子下得又利又快！其余的同学也都忙着，没有人注意到我。我轻轻地叫了一声，L大姐便抬起头来，我说：“L大姐，我不能同你们在一起了，导师不让我继续学医，因为校医说我肺有毛病……”L大姐愕然，刀也放下了，说：“不是肺痨吧？”我摇头说：“不是，据说是肺气枝涨大……无论如何，我要转系了，你看！”L大姐沉默了一会儿，便走过来安慰我说：“可惜的很，像你这么一个温和细心的人，将来一定可以做个很好的医生，不过假如你自己身体不好，学医不但要耽误自己，也要耽误别人。同时我相信你若改学别科，也会有成就的。人生的路线，曲折得很，塞翁失马，安知非福？”下了课，这消息便传遍了，同班们都来向我表示惋惜，也加以劝慰，L大姐却很实际地替我决定要转那一个系。她说：“你转大学本科，只剩一年了，学分都不大够，恐怕还是文学系容易些。”她赶紧又加上一句，“你素来对文学就极感兴趣，我常常觉得你学医是太可惜了。”计算机控制系统中的应用程序设计计算机控制系统中的应用程序设计午后这一堂是生理学实验。我只呆坐在桌边，看着对面的L大姐卷着袖子，低着头，按着一只死猫，在解剖神经，那刀子下得又利又快！其余的同学也都忙着，没有人注意到我。我轻轻地叫了一声，L大姐便抬起头来，我说：“L大姐，我不能同你们在一起了，导师不让我继续学医，因为校医说我肺有毛病……”L大姐愕然，刀也放下了，说：“不是肺痨吧？”我摇头说：“不是，据说是肺气枝涨大……无论如何，我要转系了，你看！”L大姐沉默了一会儿，便走过来安慰我说：“可惜的很，像你这么一个温和细心的人，将来一定可以做个很好的医生，不过假如你自己身体不好，学医不但要耽误自己，也要耽误别人。同时我相信你若改学别科，也会有成就的。人生的路线，曲折得很，塞翁失马，安知非福？”下了课，这消息便传遍了，同班们都来向我表示惋惜，也加以劝慰，L大姐却很实际地替我决定要转那一个系。她说：“你转大学本科，只剩一年了，学分都不大够，恐怕还是文学系容易些。”她赶紧又加上一句，“你素来对文学就极感兴趣，我常常觉得你学医是太可惜了。”6.1测量数据预处理被控量（非电量）——传感器（电量、模拟量）——ADC（数字量）对测量数据的预处理：误差校准、线性化、标度变换、越限报警等6.1.1系统误差的自动校准什么是系统误差？在相同条件下，经过多次测量，误差的数值(包括大小、符号)保持稳定，或按某种已知的规律变化的误差。系统误差的特点：⑴有规律，且变化规律可以掌握。⑵可以通过适当的技术途径校正。系统误差的类型：⑴测量输入通道中的零点偏移和漂移。⑵放大电路的增益误差。⑶元器件参数的老化。消除系统误差的方法：⑴数字调零（软件实现）；⑵自动校准。计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第1页。6.1测量数据预处理

被控量（非电量）——传感器（电量、模拟量）——ADC（数字量）对测量数据的预处理：误差校准、线性化、标度变换、越限报警等6.1.1系统误差的自动校准什么是系统误差？在相同条件下，经过多次测量，误差的数值(包括大小、符号)保持稳定，或按某种已知的规律变化的误差。系统误差的特点：⑴

有规律，且变化规律可以掌握。

⑵

可以通过适当的技术途径校正。系统误差的类型：⑴

测量输入通道中的零点偏移和漂移。

⑵

放大电路的增益误差。

⑶

元器件参数的老化。消除系统误差的方法：⑴

数字调零（软件实现）；

⑵

自动校准。计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第2页。6.1.1.1数字调零

数字调零电路结构图：

计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第3页。6.1.1.2自动校准

除了数字调零外，还可以采用偏移和增益误差的自动校准。自动校准的基本思想：⑴

在系统开机后或每隔一定时间自动测量基准参数。如：数字电压表中的基准参数为基准电压和零电压。

⑵

计算误差模型；

⑶

获得并存储误差补偿因子；

⑷

根据测量结果和误差补偿因子自动校准，消除误差。自动校准的方法：(1)全自动校准；(2)人工自动核准。计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第4页。计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第5页。计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第6页。6.1.2线性化处理程序设计

计算法查表法折线法

传感器特征——大多非线性，甚至无法用数学表达式表示线性化方法：计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第7页。6.1.2.1计算法计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第8页。6.1.2.2查表法

传感器的特性是非线性，且测量数据和转换的电信号之间无明确、简便的数学表达式，如指数、对数、三角函数、积分、微分等运算，可用查表法对其进行线性化处理。查表法：预制一张表格，将测量数据和转换的电信号之间的关系置于表格中，通过查表程序根据测量数据查出所需的结果。

表格分为无序表和有序表。查表方法有顺序查表法、计算查表法、对分查表法。计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第9页。顺序查表法：用于无序表的查找。从表格的起始地址开始寻找，逐次比较，直到找到要找的数据为止。计算查表法：要求表格有序且为线性，即要求各数据元素在表格中的排列方法和占用的存贮单元数均为一样的。查表时通过一定的计算方法，求出该数据元素所对应的地址，从相应的存贮单元中取出所需要的数据。对分查表法：用于有序表的查找。对一个字节长度为N的有序表（从小到大排列），先取N/2处的值与待找的数据X比较，若X大于N/2处的值，下一次取N/2至N的中间值即3N/4处的值进行比较；反之下一次取0至N/2的中间值即N/4处的值进行比较。如此不断对分查找，直到找到所需要的数据X。计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第10页。6.1.2.3折线法(局部线性化方法)如右图，将曲线按一定要求分成若干段，把相邻分段点用折线连接起来，用此折线拟合该段曲线。在此折线内的关系用直线方程表示：曲线分段的方法：等距分段法、不等距分段法。等距分段法：函数曲线的曲率和斜率变化不大时适用。不等距分段法：函数曲线的曲率变化大时间距取小一点；反之取大一点。这种方法精度较高，但编程较麻烦。

计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第11页。6.1.3标度变换程序设计

被测参数的实际物理量——工程量(带量纲)——ADC的结果——数字量

6.1.3.1线性参数的标度变换

计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第12页。6.1.3.2非线性参数的标度变换

计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第13页。6.1.4越限报警程序设计

转换以后的数字量是否在正常范围内？上限报警下限报警上下限报警计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第14页。6.2数字滤波（软件滤波）滤波：抑制测量数据中的各种噪音和干扰。硬件滤波：模拟滤波器（有源、无源）。

软件滤波，也称数字滤波：用软件通过计算或判断减少干扰在信号中的比例，即用软件提高信噪比。软件滤波的特点：不需硬设备，可靠性高，参数修改方便，效果好（可对低频信号如0.001Hz以下实现滤波）。方法：平均值滤波、中值滤波、限幅滤波、惯性滤波等。计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第15页。6.2.1平均值滤波

算术平均值滤波:

加权平均值滤波:

计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第16页。6.2.2中值滤波计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第17页。6.2.3限幅滤波计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第18页。6.2.4惯性滤波计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第19页。6.2.5复合滤波计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第20页。6.2.6开关量的软件抗干扰技术计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第21页。计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第22页。6.2.7指令冗余技术计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第23页。6.2.8软件陷阱技术计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第24页。6.3监控组态软件计算机监控系统CSCS(ComputerSupervisoryControlSystem)是生产过程和管理自动化最为有效的讨算机软硬件系统之—。CSCS可分成两大部分：一是现场分布式的数据I/O系统，即下位机；另一是数据处理及显示、管理系统，即上位机——人机界面系统HMI(HumanMachineInterface)。下位机与生产过程和管理的设备或仪表相结合，感知设备各种状态参数，并将这些状态信号转换成数字信号、通过特定数字通信网络传递到上位机HMI系统中。必要的时候，下位机也可以向设备发送控制信号。6.3.1概述

计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第25页。上位机HMI系统在接受这些信息后，以适当的形式如文字、声音、图形、图像等方式显示给用户，以达到监视监测的目的，同时数据经过处理后，告知用户设备各种状态参数(报警、正常或报警恢复等)。处理后的数据可能会保存到数据库中，也可能通过网络系统传输到不同的监控平台上，还可能与别的系统结合形成功能更加强大的系统；HMI还可以接受操作人员的指示，将控制信号发送到下位机中，以达到控制的目的。上位机HMI系统的功能主要靠上位机程序来完成。

上位机HMI系统的功能主要靠上位机程序来完成。现在编制上位机程序可采用以下两种方法：一是采用VisualBasic、VisualC等基于windows平台的开发程序来编制；二是采用监控组态软件来编制。计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第26页。基于VB、VC的程序设计灵活，可以设计出风格各异的HMI系统，但设计工作量大，开发调试周期长，软件通用性较差，对于每个不同的应用对象都要重新设计或修改程序，软件功能可靠性也较低，对程序设计员要求也高。监控组态软件是标准化、规模化、商品化的通用开发软件，只需进行标准功能模块的软件组态和简单的编程，就可设计出标准化、专业化、通用性强、可靠性高的上位机监控程序(HMI系统)，且工作量较小，开发调试周期较短，对程序设计员要求也低一些。

近几年来，监控组态软件得到了广泛的重视和迅速的发展。目前，我国已开发出很多成功的组态软件，而且技术发展很快。计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第27页。6.3.2组态软件的功能简介控制系统的软件组态是生成整个系统的重要技术，对每一个控制回路分别依照其控制回路图进行。

组态工作是在组态软件支持下进行的，组态软件主要包括：控制组态、图形生成系统、显示组态、硬件配置组态（I/O通道登记）、数据库组态、趋势曲线登记、报警系统登记、报表生成系统共8个方面的内容。

程序员在组态软件提供的开发环境下，以人机会话方式完成组态操作，系统组态结果存人磁盘存储器中，以备运行时使用。

计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第28页。1硬件配置组态（I／O通道登记）计算机控制系统能支持多种类型的信号输入和输出板、卡。从生产过程来看，每一输入输出都有不同的名称和意义，因此需将输人输出定义成特定的含义，这就是I/O通道登记。I/O通道主要是模拟量I/O和开关量I/O等通道。2数据库组态定义数据库名、字段名等。如工程量转换系数、上下限值、线性化处理、报警特性、报警条件等。

计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第29页。3控制组态定义各控制回路的控制算法及控制参数。在工业控制组态软件中，一般有P1D等多种基本算法。控制算法的组态生成在软件上可以分为两种实现方式：一种方式是采用模块宏的方式，即一个控制规律模块(如PID运算)对应一个宏命令(子程序)，在组态生成时每用到一个控制模块，则组态生成控制算法，产生的执行文件中就将该宏所对应的算法换入执行文件。另一种常用的方式是将各控制算法编成各个独立的可以反复调用的功能模块，对应每一模块有一个数据结构，该数据结构定义了该控制算法所需要的各个参数。因此，只要这些参数定义了，控制规律就定了。有了这些算法模块，就可以生成绝大多数的控制功能。计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第30页。

4图形生成系统

计算机控制系统的人机界面越来越多地采用图形显示技术。图形画面主要是用来监视生产过程的状况，并可通过对画面上对象的操作，实现对生产过程的控制。图形画面一般有两种即静态画面(或背景画面)和动态画面。静态画面一般用来反映监视对象的环境和相互关系，它的显示是不随时间而变化的。动态画面一般用以反映被监视对象和被控对象的状态和数值等，它在显示过程中是随现场被监控对象的变化而变化的。在生成图形画面时，不但要有静态画面，而且还要有“活”的部分即动态画面。

5报表生成系统

报表生成系统用于系统的报表及打印输出。因而报表系统主要功能是定义各种报表的数据来源、运算方式以及报表打印格式和时间特性。计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第31页。

6报警系统登记报警显示画面分成三级，即报警概况画面、报警信息画面、报警画面。报警概况画面是第一级，记录温度显示系统中所有报警点的名称和报警次数；报警信息画面是第二级，它是第一级画面的展开与细化，可调出相应报警信息画面，即可观察到报警时间、消警时间、报警点名称和报警原因等；报警画面是第三级．可调出与报警点相应的各显示画面，包括总貌画面、组画面、回路画面、趋势曲线画面等。为了完成报警登记，需要填写登记表。内容包括编号、名称、原因类型、原因参数、画面类型、画面参数。

计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第32页。

7显示组态计算机控制系统的画面显示一般分为三级，即总貌画面、组貌画面、回路画面。若想构成这些画面，就要进行显示组态操作。显示组态操作包括选择模拟显示表、定义显示表及显示登记方法等操作。

8起势曲线登记趋势曲线显示在控制系统中很重要。为了完成这种功能，需要对趋势曲线进行登记。系统的硬盘中保存有三种趋势曲线数据，即当天的、昨天的和历史的数据。趋势曲线的规格主要有：趋势曲线幅数、趋势曲线每幅条数、每条时间、显示精度。趋势曲线登记表的内容主要有：幅号、幅名、编号、颜色、曲线名称、来源、工程量上限和下限。计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第33页。6.4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共用，只是各控制回路提供的原始数据不同。必须为每个回路提供一段内存数据区(即线性表)，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。数字控制算法的工程实现可分为6部分，如下图所示。

计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第34页。下面以数字PID控制器为例讨论数字控制器的工程实现问题

分为六个部分：给定值处理、被控量处理、偏差处理、控制算法、控制量处理、自动手动处理。计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第35页。1给定值和被控量处理给定值处理包括选择给定值和给定值变化率限制两部分。可通过选择构成内给定状态或外给定状态。为了减少给定值突变对控制系统的扰动，防止微分饱和，以实现平稳控制，需要对给定值的变化率加以限制。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。为了便于PID控制程序调用这些变量，需要给每个P1D控制模块提供一段内存数据区，来存储所需变量。为了安全运行，需要对被控量进行上下限报警处理。当出现上、下限报警状态时，它们通过驱动电路发出声或光报警以便提醒操作员注意。计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第36页。

2偏差处理偏差处理分为偏差计算、偏差报警、非线性持性和输入补偿等部分。计算偏差的大小和方向以便算法实现时使用。对于控制要求较高的对象，不仅要设置被控制量的上、下限报警，而且要设置偏差报警。当偏差绝对值超限时报警。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。可设置非线性特性以实现带死区的PID控制、非线性PID控制。计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第37页。

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，并进行上、下限限幅处理。根据不同的对象选样合适的控制算法。

常用的控制算法有数字PID控制算法、最少拍控制算法、Smith预估控制算法、大林算法等等。计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第38页。4控制量处理一般情况下，在输出控制量以前，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。利用输出和输入补偿，可以扩大实际应用范围，灵活组成复杂的数字控制器，以便组成复杂的自动控制系统。

为了实现平稳操作，需要对控制量的变化率加以限制。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。

计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第39页。

5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。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。采用上述数字控制器．不仅可以组成单回路控制系统，而且可以组成串级、前馈、纯滞后补偿(Smith)控制等复杂控制系统。对于后面两种系统还应增加补偿器运算模块。利用该控制模块和各种功能运算模块的组合，可以组成各种控制系统来满足生产过程控制的要求。

计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第40页。6.5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：转换器应有多精确？在计算中要求什么样的精度？计算应当用定点运算还是用浮点运算？

这些问题都与系统的有限字长有关。

什么是有限字长？计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第41页。6.5.1量化误差来源

计算机控制系统一方面应考虑信号在时间上的离散化问题，另一方面应考虑幅值上的量化效应。下图给出了计算机控制系统的典型结构：计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第42页。计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第43页。计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第44页。计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第45页。计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第46页。计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第47页。6.5.2A/D、D/A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。下面分别讨论A/D转换器、D/A转换器和运算的字长选取。

计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第48页。计算机控制系统中的应用程序设计全文共54页，当前为第49页。

运算的字长选择由8位或12位A/D变换器采集数据之后，为了保证运算精度，在CPU内几乎毫无例外地至少采用16位字长运算。运算精度不仅取决于字长，而且还取决于采用定点数或浮点数。如果采用浮点数，运算精度可以大大提高。运算字长的选取，用到标准数0至1的概念。众所周知，计算机控制系统的输入、运算和输出信号也应遵循某一标准，一船采用标准数0至1。

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