物联网控制技术 课件 A计控6应用程序设计与实现技术

第六章

应用程序设计与实现技术1分析用户的要求，约占总工作量的10％；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；编写程序的说明，约占10％；程序的设计与编码，约占30％；程序设计是利用程序对任务作出描述，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；测试和调试，40％以上。调试就是利用各种测试方法检查程序的正确性，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。第一节程序设计技术2

把一个复杂的系统软件，分解为若干个功能模块，每个模块执行单一的功能，且具有单入口单出口结构。一、模块化与结构化程序设计1、模块化程序设计2）自顶向下模块化设计

实际常把两种方法结合起来。先开发高层模块和关键性低层模块，并用“结点”来代替以后开发的不太重要的模块。1）自底向上模块化设计3三种基本结构：顺序、选择、循环。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2、结构化程序设计AB(a)顺序结构EXPA(c)循环结构EXPAEXPAB(b)选择结构程序的基本控制结构4

用汇编语言编写的程序，比用高级语言编写的程序执行速度快，且要求的硬件也少。3、高级语言与汇编语言混合编程发挥汇编语言实时功能强、高级语言运算能力强的优点。即用高级语言编写计算、图形绘制、显示、打印程序等，用汇编语言编写时钟管理、中断管理和输入输出程序等。二、高级语言与汇编语言混合编程1、汇编语言编程2、高级语言编程5计算机控制系统的组态功能：硬件组态、软件组态。硬件组态：常以总线式(PC或STD)工控机为主进行选择和配置。总线式工控机具有小型化、模块化、标准化、组合化、结构开放的特点，因此可根据不同的控制对象，选择相应的功能模板，组成各种不同的应用系统。三、工业控制组态软件软件组态：常以工业控制组态软件为主来实现。工业控制组态软件是标准化、规模化、商品化的通用过程控制软件，可采用菜单方式，用填表的办法，对输入、输出信号用“仪表组态”方法进行软联接。简单明了、使用方便，大大减少了重复性、低层次、低水平应用软件的开发，提高了软件的使用效率和价值，提高了控制的可靠性，缩短了应用软件的开发周期。61、控制组态2、图形生成系统组态软件主要包括：控制组态、图形生成系统、显示组态、I/O通道登记、单位名称登记、趋势曲线登记、报警系统登记、报表生成系统。一般有PID等几十种基本算法。控制算法组态生成的两种实现方式：模块宏方式：一个控制规律模块对应一个宏命令。功能模块和数据结构相结合的方式。图形画面主要是用来监控生产过程。静态画面：反映监视对象的环境和相互关系，它的显示是不随时间的变化的。动态画面：反映被监控对象的状态和数值等，它随现场被监控对象的变化而变化。73、显示组态画面显示一般分为总貌、组貌、回路画面。显示组态操作就是构成这些画面，包括选择模拟显示表、定义显示表及显示登记方法等操作。调节控制表、报警显示表、阀位操作表、监视操作表、比率设定表、流量累计表。1）选择模拟显示表

对所选择的显示表的每一个参数进行确定，并在画面上设定相应的值。2）定义模拟显示表8进入系统显示登记画面。选择过程控制站站号及工作方式；登记控制组号、组名，该组员的回路号，进行分组登记操作；显示表登记(登记每一个控制回路所用的模拟显示表)；将显示登记文件存入后备文件或打印。定义输入输出信号的名称、含义、上限和下限等。3）显示登记法4）I/O通道登记主要登记编号和工程单位名。5）单位名称登记三种趋势曲线数据：当天、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。6）趋势曲线登记9报警显示画面分成三级：报警概况画面：显示系统中所有报警点的名称和报警次数；报警信息画面：是概况画面的展开与细化，显示报警时间、消警时间、报警点名称和报警原因等；报警画面：是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。为了实现报警，应填写登记表。7）报警系统登记用于系统的报表及打印输出，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。8）报表生成系统104、几种组态软件简介FIX软件一般英文简称有三种分别为HMI/MMI/SCADA，对应全称为HumanandMachineInterface/ManandMachineInterface/ScanControlAlarmDatabase，中文翻译为：人机界面软件/扫描报警控制数据库软件。目前组态软件的发展迅猛，已经扩展到企业信息管理系统，管理和控制一体化，远程诊断和维护以及在互联网上的一系列的数据整合。是美国最著名的工控组态软件。适用于各种PLC，例如支持西门子200/300/400，三菱A系列，Fx系列，莫迪康，GE等。支持各种工控板卡，RS-232，RS-485，honywell公司R-150，R-160，S9000,各种智能变送器，也可用于工业控制管理网络。11InTouch8.0用于可视化和工业生产过程控制，提供易于配置的图形。用户可以快速创建并部署自定义的应用程序，连接并传递实时信息。InTouchHMI具备相当的开放性和可扩展性，提供了强大的连接功能，可以同行业内的各种自动化设备相连接，适用范围广泛。12组态王6.5组态王6.5的Internet版本采用最新的JAVA2核心技术，功能丰富，操作简单。整个企业的自动化监控以一个门户网站的形式呈现给使用者，并且不同工作职责的使用者使用各自的授权口令完成各自的操作。组态王6.5的Internet功能，使操作员在任何时间任何地点均可实时掌控企业每一个生产细节，轻松浏览现场的流程画面、过程数据、趋势曲线、生产报表(支持报表打印和数据下载)、操作记录和报警等。

131、顺序查找关键字是唯一标识数据元素、结点和记录的数值(或名字)。第二节数据结构及其应用技术三、数据查找技术对数据表的结构无任何要求。速度较慢。设有n个记录组成的表，平均查找次数为(n+1)/2。只适用于数据记录个数较少的情况。142、折半查找

数据表需按关键字大小顺序排列。

折半查找过程如下：例：设要查找关键字41，查找过程如下：第一次：1113252739414345

L=1M=4H=8

第二次：1113252739414345

L=5M=6H=8其中：M＝INT((L+H)/2)。153、分块查找是介于顺序查找和折半查找之间的一种折衷方法。将一组关键字均匀地分成若干块，块间按大小排序，块内关键字不排序。

分块查找图最大关键字表

设待查记录的关键字为ki(56)，首先用折半查找法查找最大关键字表，确定ki在那一块(第三块)；然后用顺序查找法查找ki所在块，从而查到所需记录。1215211832284235566447626769727021426472第一块第二块第三块第四块164、直接查找若记录的关键字与存储地址之间符合某一函数关系，可通过函数运算直接求得关键字的所在地址，以便找到相应的记录。例如，某机控系统中数据采集点记录的关键字K与存储地址D之间的函数式为：

D=K×M+F

其中：M是每个记录的字节数，

F是数据表(记录)的首地址。

采用直接查找法的数据结构应满足下列条件：关键字K与存储地址D之间应满足某个函数式D(K)；关键字数值分散性不大。171、插入排序常用数据排序方法：插入排序、希尔排序、选择排序、快速排序。方法是每次把第i个关键字与前(i-1)个逐个进行比较，一旦找到合适的位置就进行插入。插入排序示例四、数据排序技术182、希尔排序首先反复比较两个相距d1的关键字，按大小排序；然后取d2<d1

，再反复比较两个相距d2的关键字，按大小排序；然后取d3<d2

，再反复比较两个相距d3的关键字，按大小排序。依次类推，直至di

=1为止。

该方法是对插入排序的改进，每一遍以不同的增量进行插入排序。减少了数据移动，提高了排序的速度。希尔排序示例19选择排序示例

设共有N个关键字，首先找出关键字的最小项，将其与表中第一个关键字大于它的项对换；然后再在其余N-1个关键字中找出最小的，将其与表中第一个关键字大于它的项对换。依次类推，进行关键字从小到大的排序。3、选择排序

204、快速排序基本原理：首先取表中第一个关键字kl作为控制关键字，从最末项

j开始往前与kl比较，找到kj-d<k1就交换(d≧0)；再从第二个关键字k2开始往后与kj-d

比较，找到ki>kj-d再交换(i≧2)。继续此过程，直至把控制关键字kl放在表中某个合适的位置m，记成kl(m)。使得整个表以kl(m)为界而分成左、右两部分。这叫作第一遍排序。再分别对此两部分进行排序，又把此两部分各分成更小的两部分。这样继续下去，直至每部分只剩下一项为止。21首先取控制关键字kl=43，排序过程为：再对〔i1，jl〕进行排序，取其关键字kl=14：

再对〔i2，j2〕进行排序，取其关键字kl=91：22线性化处理、标度变换、系统误差的自动校准。系统误差：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：变化规律和产生误差的原因是可知的。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，需自动校准。采用程序实现对偏移的自动校准称为数字调零。第三节测量数据预处理技术一、系统误差的自动校准23全自动校准电路1、全自动校准

只适于基准参数是电信号的场合，且不能校正由传感器引入的误差。24

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)和x(接被测输入y时)，则可按下式来计算：2、人工自动校准25在0～850℃范围内，有：

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：二、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

26

热电偶的热电势同所测温度之间也是非线性关系。例如，铁一康铜热电偶，在0～400℃范围内，当允许误差＜±1℃，按下式计算温度：式中：E为热电势〔mV〕，T为温度〔℃〕2、热电偶的热电势与温度的关系镍铬一镍铝热电偶400～1000℃范围内的计算式。计算量大。可分段线性化，以折代曲。27

用孔板测量气体或液体的流量，差压变送器输出的孔板差压信号，同实际流量F之间成平方根关系：式中：K是流量系数，与节流孔径、被测流体比重等因素有关。采用牛顿迭代法计算平方根。设：3、孔板差压与流量的关系284、气体体积流量的非线性补偿某些检测信号与真实值有偏差时需要补偿。当被测气体的温度、压力与孔板设计基准不同时:式中：T0：设计孔板时的基准绝对温度(K)

P0：设计孔板时的基准绝对压力

T1：被测气体的实际绝对温度(K)

P1：被测气体的实际绝对压力如流量数据处理公式29如精馏塔内回流流量：式中：F1：内回流流量

F2：外回流流量

CP

：液体比热

λ

：液体汽化潜热

△T：塔顶气相温度与回流液温度之差某些参数无法直接测量检测有关参数，间接计算求得。30三、标度变换方法把A/D转换后的采样值（无量纲的数字量）换算成相应测量点的工程量（原量纲的数字量工程值）。放大A/DCPU显示0~48mV0~1200℃0~5V00~FFH0~1200℃标度变换原理图31参数值与A/D转换结果之间为线性关系。A/D值工程量ymaxyyminnminxnmaxEDCBA工程量转换进行标度变换时，只需进行一次乘法和一次加法。简化公式：y=

a1·x

+a01、线性变换公式322、公式转换法传感器输出信号与被测参数之间呈非线性关系，该关系可用解析式表示。采用牛顿迭代法、级数展开法等数值方法求平方根。例如流量与节流孔板差压之间的关系：相应的工程量变换公式：33x0x2x1x3x4xn…y0yn……

插值多项式标度变换法：传感器输出信号与被测参数之间呈非线性关系，且该关系无法用解析式表示，或解析式过于复杂，难于直接计算。xy插值多项式变换法示意图ab对于y=f(x)的平滑非线性函数，可用n次多项式逼近该函数。取a=x0<x1<x2<···<xn=b有f(x0)=y0,f(x1)=y1,······,

f(xn)=yn求待定系数：a0,a1,···,an

使Pn(xi)=f(xi)=yi,i=0,1,2,···,nPn(x)=anxn+an-1xn-1+···+a1x+a03、多项式变换法34将n+1个点分别代入Pn(x)，得：得a0,a1,···,an

的唯一解。因此，在满足一定精度下，被测参数y=f(x)可用y=Pn(x)来计算。逼近精度：与插值点、Pn(x)选取有关。插值点↑、Pn(x)的次数↑→精度↑、计算时间↑。x0x2x1x3x4xn…y0yn……xy插值多项式变换法示意图ab35分段插值法x0x2x1x3x4y0y4xy分段插值法示意图ABCDy2y1y3数据处理方法：将k0~k3，x0~x4，y0~y4做成数据表放在存储器中；编制求解y=yi+ki(x-xi)的程序；获取采样值x后，判断所在区域；按相应区域公式计算。以较小的运算量，达到较高的逼近精度。361）上限报警若xn＞xmax，则上限报警。2）下限报警若xn＜xmin，则下限报警。3）上下限报警若xn＞xmax，则上限报警，否则对下式做判别：

xn＜xmin?若是则下限报警，否则继续原操作。四、越限报警处理37第四节数字控制器的工程实现数字控制器（PID）的控制模块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SVPVCSVCPVCDVukCMVMV381、给定值处理1）内给定状态利用软开关选择给定值SV和给定值变化率限制SR。给定值处理

CL位置，选择操作员设置的给定值SVL。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。一、给定值和被控量处理392）外给定状态

CR位置，给定值来自上位计算机、主回路或运算模块，由软开关CAS/SCC切换。

②CAS位置串级控制，给定值SVC来自主调节模块，实现串级控制。

为了减少给定值突变对控制系统的扰动，防止比例、微分饱和，实现平稳控制。变化率过小，响应变慢，过大则达不到限制的目的。

①SCC位置SCC控制，接收来自上位计算机的给定值SVS，实现二级计算机控制。3）给定值变化率限制SR

需给每个PID控制模块提供一段内存数据区，存储输入、输出量和开关量。402、被控量处理对被控量PV进行上下限报警处理。当PV＞PH(上限值)时，则上限报警状态(PHA)为“1”；当PV＜PL(下限值)时，则下限报警状态(PLA)为“1”。被控量处理报警死区(HY)被控量变化率限制PR。41包括计算偏差、偏差报警、非线性特性和输入补偿。偏差处理二、偏差处理421．计算偏差2、偏差报警3、输入补偿根据正/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；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：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。当偏差绝对值时，则偏差报警状态DLA为“1”。43

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。当K=0时，带死区的PID控制；当0＜K＜1时，非线性PID控制；当K=1时，正常的PID控制。

4、非线性特性非线性特性44

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。

在输出控制量Uk以前，进行各项处理和判断，以便扩展控制功能，实现安全平稳操作。控制量处理三、控制算法的实现四、控制量处理451、输出补偿

利用输出和输入补偿，可扩大应用范围，灵活地组成复杂控制系统。2、变化率限制(MR)3、输出保持软开关FH/NH状态来自系统安全报警开关。

NH：保持；FH：正常输出。4、安全输出软开关FS/NS状态来自系统安全报警开关。

NS：安全输出量MS；FS：正常输出。461、自动/软手动软开关SA/SM在SA位置：为自动控制量来自前一级输出；SM位置：控制量来自操作键盘或上位机，为计算机手动状态。使得MH≤MV≤ML，再经D/A转换器输出0~10mA或4~20mA电流。自动手动切换五、自动手动切换2、控制量限幅47HA：自动状态；HM：手动状态。3、自动/手动4、无平衡无扰动切换在切换前自动进行对位平衡操作。手动

自动：使给定值跟踪被控量，u(k-1)跟踪手动控制量。自动软手动：软件保证无扰动切换自动硬手动：手动操作器对位。正确填写PID数据区，与PID控制程序相结合，实现PID控制。48定点数、浮点数定点数计算分为带、无符号位的+、-、×、÷。定点数负数的表示：用最高位“0”－正；“1”－负。浮点表示法：浮点表示法中小数点的位置是不固定的。任意二进制数N一般可表示为：N=2P×S

一个浮点数分为阶码和尾数两部分，二者各有表示正负的阶符和数符，常用存储格式：第五节系统的有限字长数值问题阶符阶码数符尾数49在微计算机中常用的浮点数表示有：

①四字节浮点数格式四字节浮点数格式

D7D6

……D0第一字节第二字节第三字节第四字节阶符Pf阶码数符Sf尾数高字节尾数中字节尾数低字节50②三字节浮点数格式D7D6

D5……D0

第一字节第二字节第三字节数符Sf阶符Pf阶码尾数高字节尾数低字节三字节浮点数格式

511、量化误差一、量化误差来源设计算机字长为n1，采用定点无符号整数，则机内数的最小单位：计算机控制系统的典型结构控制规律计算零阶保持器r(t)y(t)被控对象Tu*(k)u(k)r*(k)A/Dr(k)D/Au(t)A/Dy*(k)y(k)T522、量化误差来源

A/D转换值对应的模拟电压x用量化单位表示，即：式中：L为整数，余数ε(ε＜q)可以用截尾或舍入来处理。

①被测参数经A/D转换时产生的量化误差。

②PID参数的截尾或舍入处理。

③在运算过程中产生的误差。

④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的量化误差。53要考虑的因素：输入信号x的动态范围、分辨率。1）输入信号的动态范围二、A/D，D/A及运算字长的选择1、A/D转换器的字长选择设输入信号的最大值和最小值之差为：式中：n1为A/D的字长，l为转换当量(mV/bit)。A/D转换器字长：542）分辨率例如，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：因此，取A/D转换器字长nl为8位。552、D/A转换器的字长选择3、运算的字长选择设执行机构的最大输入值为umax，最小输入值为umin，灵敏度为l，可得D/A转换器的字长：56噪音有两大类：周期性的、不规则的。周期性噪音的典型代表为50Hz的工频干扰，采用积分时间等于20ms的整数倍的双积分A/D转换器，可有效地消除其影响。不规则的噪音为随机信号，可用数字滤波方法予以削弱或滤除。数字滤波：通过一定的计算或判断程序减少干扰在有用信号中的比重。实质上是一种程序滤波。数字滤波技术、开关量的软件抗干扰技术、指令冗余技术、软件陷断技术等。第六节软件抗干扰技术一、数字滤波技术57数字滤波优点：

①用程序实现，不需增加硬设备，可靠性高，稳定性好。

②可对频率很低(如0.01Hz)的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。

③

可根据信号的不同，采用不同的滤波方法或滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。58算法：若x1<x2<x3

则y=x2一般N取3、5等奇数，对克服偶然因素引起的脉冲噪声，采样不稳定情况，效果好。适用于慢过程，如温度过程。局限性：二次以上同向干扰，难以滤除1、中位值滤波法

中值滤波程序主要由数据排序和取中间值两部分组成。592、算术平均值法适用于Q、P、H，对采样值频繁振荡的干扰有良好的抑制，对脉冲性干扰平滑不理想。

N大，平滑度高，但灵敏度低；

N小，平滑度较低，但灵敏度高。对一般流量测量：N=8～16；对压力等测量：N=4。60算术平均滤波的改进型：1）去极值平均滤波算法：连续采样N次，去掉一个最大值，去掉一个最小值，再求余下N-2个采样值的平均值。2)、移动平均滤波方法：先在RAM中建立一个数据缓冲区，依顺序存放N次采样数据，然后每采进一个新数据，就将最早采集的数据去掉，最后再求当前RAM缓冲区中的N个数据的算术平均值或加权平均值。613）递推平均滤波：624）加权递推平均当系统的τ较大，TS较小，即τ/TS

很大时，用加权平均提高反映灵敏度63克服大的随机干扰，防止计算机误操作。3、限幅滤波法上、下限限幅，即：限速(亦称限制变化率