第6章 南邮 控制系统的数据处理技术.ppt

第6章控制系统的数据处理技术 南京邮电大学电气信息工程系 OUTLINE 6 1程序设计技术6 2测量数据的预处理技术6 3查表与数据排序技术6 4软件抗干扰技术6 5本章小结习题 软件分为系统软件 应用软件应用软件的设计主要包括以下几个模块 系统界面模块 采集模块 控制模块 数据处理模块 打印显示模块 数据存储模块 数据传输模块等 6 1程序设计技术 6 1 1程序设计的步骤与方法程序设计步骤一个完整的程序设计过程由几部分组成 1 拟定设计任务书 2 建立数学模型并确定算法 3 程序的总体设计及其流程图 4 编写源程序 5 源程序的编译与调试 6 系统软件的整体运行与测试 7 总结归纳进一步编写程序说明文件 程序设计方法一般遵循模块化与结构化的程序设计思想模块化程序设计结构化程序设计方法 模块化程序设计 模块化程序设计是把一个较长的复杂的程序分成若干个功能模块或子程序 每个功能模块执行单一的功能 模块化程序设计的两种设计思路自底向上自顶向下 结构化程序设计方法 结构化程序设计的概念最早由DijkstraEW提出 1965年他在一次会议上指出 可以从高级语言中取消GOTO语句 程序的质量与程序中所包含的GOTO语句的数量成反比 1966年的BohmC和JacopiniG证明了只用三种基本的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 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 在总体设计阶段采用自顶向下逐步求精的方法 可以把一个复杂问题的解法分解和细化成一个由许多模块组成的层次结构的软件系统 特点 程序设计方法简单 设计出来的程序可读性强 容易理解 便于维护 是面向对象程序设计的基础 结构化程序设计可以表示成如下的公式 数据 操作 流程控制 结构化程序设计方法 组态 的概念最早来自英文 Configuration 其含义是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置 包括进行对象的定义 制作和编辑 并设定其状态特征属性参数 达到使计算机或软件按照预先设置 自动执行特定任务 满足使用者要求的目的 6 1 2工业控制组态软件 美国商业组态软件公司Wonderware公司的IntouchRockWell公司的Rsview32德国西门子公司的WinCC等北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的MCGS北京三维力控科技有限公司的力控北京亚控科技发展有限公司的组态王台湾研华的GENIE等 MCGS系列组态软件MCGS嵌入版组态软件MCGS通用版组态软件MCGS网络版组态软件力控系列组态软件pLerine通用组态软件pSolidLerine嵌入式HMI SCADA组态软件三维力控pNetPower 电力版自动化软件 1 嵌入式组态软件基于嵌入式系统的组态软件嵌入式系统分为四部分嵌入式微处理器外围硬件设备嵌入式操作系统以及应用软件系统运行于WindowsCE DeltaOS等嵌入式RTOS时间精度在毫秒级通用计算机环境下组态 下载到嵌入式操作系统中运行 嵌入式计算机 单板计算机 SBC PC104计算机和饼干机 3 5英寸工业单板计算机 与标准计算机相比 嵌入式机具有以下优点 功耗低 可靠性高 功能强大 具有很高的性能价格比 实时性强 支持多任务 占用空间小 效率高 主要特性 处理器 AMDGeodeGX1工作频率 默认值为300MHz 系统内存 在板32M 64M 128MBytesSDRAM 默认为64MBytes BIOS AWARDSYSTEMBIOSFlash写保护控制 显示接口 支持CRT 18bitTFT真彩LCD屏 4M共享内存 VGA分辨率最大支持1024 768 24bpp 1280 1024 8bppLCDTFT最大支持1024 768 18bpp LCD黑白屏最大支持1024 768 18bppIDE接口 支持标准硬盘和CD ROM 可接DOM DISKONMODULE CF卡 嵌入式PC 104工业计算机主板 2 通用版组态软件主要应用于实时性要求不高的监测系统中作用主要是做监测和数据后处理运行于Windows98 NT 2000 XP等环境时间通常在秒级 3 组态软件主要解决的问题 1 如何与采集 控制设备间进行交换数据 2 使来自设备的数据与计算机图形画面上的各个元素关联起来 3 处理数据报警和系统报警 4 存储历史数据并支持历史数据查询 5 各类报表的生成和打印输出 6 提供灵活多变的组态工具 适应不同领域的需求 7 最终生成的应用系统运行稳定可靠 8 具有第三方程序的接口 方便数据共享 4 组态软件的功能1 强大的画面显示组态功能2 良好的开放性3 丰富的功能模块4 强大的数据库5 可编程的命令语言6 周密的系统安全防范7 仿真功能 6 2测量数据预处理技术 6 2 1系统误差的自动校准1 全自动校准 校准步骤如下 1 微机控制多路开关使S与3接通 则输入电压u 0 测出此时的A D值N0 2 微机控制多路开关使S与1接通 则输入电压u uR 测出此时的A D值NR设测量电压u与N之间为线性关系 表达式为 则上述测量结果满足 校正后的公式如果只校准零点时 实际的测量值则为 2 人工自动校准 全自动校准只适合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 为此 可采用人工校准的方法人工自动校准不是自动定时校准 而是由人工在需要时接入标准的参数进行校准测量 并将测量的参数存储起来以备以后使用 人工校准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 6 2 2线性化处理 1 铂热电阻的阻值与温度的关系Pt100铂热电阻适于测量 200 850 全部或部分范围测温主要特性是测温精度高 稳定性好Pt100阻值与温度的关系分为两段 200 0 和0 800 其对应关系为 200 0 范围内0 800 范围内 许多常见的测温元件 其输出与被测量之间呈现非线性关系 因而需要线性化处理和非线性补偿 查表法 根据公式 离线计算出所测量温度范围内温度与铂热电阻的对应关系表即分度表 然后将分度表输入计算机中 利用查表的方法实现或者根据式 6 6 和 6 7 画出对应的曲线 然后分段进行线性化 即用多段折线代替曲线线性化过程见插值算法 2 热电偶热电势与温度的关系 铜 康铜热电偶铁 康铜热电偶镍铬 镍铝热电偶 6 2 3标度变换 将A D转换后的数字量转换成与实际被测量相同量纲的过程称为标度变换 也称为工程量转换 热电偶测温中的标度变换 标度变换的任务是把计算机系统检测的对象参数的二进制数值还原变换为原物理量的工程实际值一个温度测控系统示例 某种热电偶传感器把现场中的温度0 1200 转变为0 48mV信号 经输入通道中的运算放大器放大到0 5V 再由8位A D转换成00 FFH的数字量 这一系列的转换过程是由输入通道的硬件电路完成的 CPU读入该数字信号 在送到显示器进行显示前 必须把这一无量纲的二进制数值再还原变换成原量纲为 的温度信号比如 最小值00H应变换对应为0 最大值FFH应变换对应为1200 标度变换原理图 这个标度变换的过程是由算法软件程序来完成的 标度变换有各种不同的算法 它取决于被测参数的工程量与转换后的无量纲数字量之间的函数关系这个函数关系的不同表达形式 也就决定了不同的标度变换方法 主要有 线性参数标度变换 非线性参数标度变换 多项式变换以及查表法 1 线性参数标度变换线性参数标度变换是最常用的标度变换 其前提条件是被测参数值与A D转换结果为线性关系 图6 3输入 输出线性关系图 当Nmin 0时 当Amin 0 对应Nmin 0时 例 某加热炉温度测量仪表的量程为200 800 在某一时刻计算机系统采样并经数字滤波后的数字量为CDH 求此时的温度值是多少 设该仪表的量程是线性的 解 根据式 6 15 已知Amin 200 Amax 800 Nx CDH 205 D Nmax FFH 255 D所以此时的温度为 682 2 非线性参数标度变换 1 公式变换法 2 其他标度变换法多项式插值法线性插值法查表法 6 2 4插值算法 1 线性插值算法用直线AB代替弧线AB插值点x0与x1之间的间距越小 则在这一区间内f x 与g x 之间的误差越小 2 分段插值算法基本思想是将被逼近的函数 或测量结果 根据其变化情况分成几段 为了提高精度及缩短运算时间 各段可根据精度要求采用不同的逼近公式最常用的是线性插值和抛物线插值 1 用实验法测量出传感器的输出变化曲线y g x 2 将上述曲线进行分段 选取各插值基点曲线分段的方法 等距分段法和非等距分段法 3 根据各插值基点的 xi yi 值 使用相应的插值公式 求出实际曲线g x 每一段的近似表达式fn x 4 根据fn x 编写出应用程序 分段插值算法程序设计步骤 6 2 5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 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 否则执行原定操作下限报警 若xn xmin 则下限报警 否则执行原定操作上下限报警 分别对上 下限进行判断根据上述规定 编写程序可以实现对被控参数 偏差 控制量等进行上下限报警 具体设计报警程序时 为了避免测量值在极限值一点处来回摆动造成频繁报警 一般应在极限值附近设置一个回差带 如下图所示 越限报警范围 图中Xmax Xmin是上 下限约束值 2e为回差带宽当被测值超越Xmax e时 才算越过上限报警值并设置相应的越上限标志 上限标志位置1 同时输出越上限的声 光报警 当被测值下降到Xmax e以下时 则复位上限 这时应撤消越上限标志 上限标志位清0 及相应的声光报警 回差值e避免了测量值在极限值Xmax或Xmin点处来回摆动造成频繁报警e值的大小可根据现场具体的被测参数设定 越限报警方式 在计算机测控系统中常采用声 光及语言进行报警 1 普通声光报警 普通声光报警接口电路 发光二极管的驱动电流一般为10 20mA CPU的数据线需要外接驱动器驱动 可采用OC门驱动器 如反相驱动器74LS06 正相驱动器74LS07等 也可采用一般的锁存器如74LS273 74LS373 74LS377 或带有锁存器的I O接口芯片 如8155 8255A等图中数据线D3 D7接5个LED用于5路信号的越限报警 D2与1个驱动蜂鸣器的继电器线圈相连 当某一路需要报警时 只要对该路及D2输出高电平 经7406反相后 LED点亮的同时 继电器线圈吸合 蜂鸣器或电笛发出鸣叫 达到声光报警效果 模拟声光报警最常用的方法是采用模拟声音集成电路芯片 如KD 956X系列 是一种采用CMOS工艺 软封装的声报警IC芯片 能够产生下表所列的声光报警效果 KD 956 系列报警芯片功能表 2 模拟声光报警 随着单片机技术 语音信号处理技术和语音芯片制造技术的不断发展 增加语音功能已经成为智能仪表和计算机测控系统的设计方向语音信息告诉操作人员发生了什么以及应该采取什么应急措施 远比声光报警传递了更为明确的信息 而且利用语音系统还能实现运行参数的报读以及运行状态的提醒 语音系统是在计算机测控系统中扩展语音录放芯片实现的 目前已经有大量语音录放芯片可供选择 有的芯片可以录放10秒或20秒信息 有的芯片可以录放几分钟长度的信息 可按照录放信息长短的需要选取适当的芯片示例 用PIC单片机与集成语音芯片ISD33240组成的报警功能连接框图 3 语音报警 语音芯片与单片机的连接框图 ISD33240是ISD公司的单片智能型语音录放芯片 可记录长达4分钟的语音信息 它是通过串行外围接口模式 SPI 与单片机连接成主从方式工作的 6 3查表及数据排序技术 所谓查表法 就是把事先计算或测得的数据按一定顺序编制成表格 查表程序的任务就是根据被测参数的数值或者中间结果 查出最终所需要的结果 一般将要查询的数据或字符称为关键字表格有两种排列方法 1 无序表格 即表中数据任意排列 2 有序表格 即表中数据按一定顺序排列 如按升序或降序排列等 6 3 1数据排序技术 数据排序的目的就是把无序的数据表按大小顺序排列 变成有序的数据表常用的排序方法有 直接插入排序希尔排序选择排序快速排序 1 直接插入排序 初始数据5545781234231166i 24555781234231166i 34555781234231166i 41245557834231166i 51234455578231166i 61223344555781166i 71112233445557866i 81112233445556678 图6 5直接插入排序示例 2 希尔排序 图6 6希尔排序示例 3 选择排序 初始数据5545781234231166114578123423556611127845342355661112234534785566111223344578556611122334457855661112233445557866排序结果1112233445556678 图6 7选择排序示例 4 快速排序 图6 8快速排序过程示例 6 3 2查表技术 表的排列方式分为无序表格和有序表格查表的方法主要有 顺序查表法计算查表法对分查表法等 6 4软件抗干扰技术 软件抗干扰技术是当系统受干扰后使系统恢复正常运行或输入信号受干扰后去伪求真的一种辅助方法软件抗干扰是被动措施 而硬件抗干扰是主动措施软件抗干扰技术研究的内容采取软件的方法抑制叠加在模拟输入信号上噪声的影响 如数字滤波技术由于干扰而使运行程序发生混乱 导致程序乱飞或陷入死循环时 采取使程序纳入正规的措施 如软件冗余 软件陷阱技术等 6 4 1数字滤波技术 数字滤波 通过一定的计算程序或判断程序减少干扰在信号中的比重数字滤波器与模拟滤波器相比 具有如下优点 采用程序实现 所以无需增加任何硬设备 可以实现多个通道共享一个数字滤波程序 从而降低了成本由于数字滤波器不需增加硬件设备 所以系统可靠性高 稳定性好 各回路间不存在阻抗匹配问题可以对频率很低 如0 01Hz 的信号实现滤波 克服了模拟滤波器的缺陷可根据需要选择不同的滤波方法 或改变滤波器的参数 较改变模拟滤波器的硬件电路或元件参数灵活 方便 1 平均值滤波 1 算术平均值滤波实质即把N次采样值相加 然后再除以采样次数N 得到接近于真值的采样值 主要用于对压力 流量等周期脉动的参数采样值进行平滑加工对脉冲性干扰的平滑作用尚不理想 程序实现方法一 将采样值依次保存在内存空间的单元中 将N个数据相加得到累加结果 累加结果除以N 即可得到算术平均值程序实现方法二 将第一次采样值存入内存空间 第二次采样值与第一次采样值相加保存累加结果 依此类推直至将N个结果累加完毕 再将累加结果除以N得到平均值 该方法优点是占用内存空间相对要小 2 加权算术平均值滤波将各采样值取不同的比例 然后再相加 N次采样的加权平均公式为式中各次采样值的系数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可根据需要突出信号的某一部分 抑制另一部分 3 滑动平均值滤波首先采样N个数据放在内存的连续单元中组成采样队列 计算其算术平均值或加权算术平均值做为第1次采样值将采集队列向队首移动 将最早采集的那个数据丢掉 新采样的数据放在队尾 而后计算包括新采样数据在内的N个数据的算术平均值或加权平均值每进行一次采样 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程序设计的关键 每采样一次 移动一次数据块 然后求出新一组数据之和 再求平均值在滑动平均值滤波中开始时要先把数据采样N次 再实现滑动滤波 2 中值滤波 在三个采样周期内 连续采样三个数据x1 x2 x3 从中选择一个大小居中的数据做为采样结果 用算式表示为 若x1 x2 x3 则x2为采样结果中值滤波对于去掉偶然因素引起的波动或传感器不稳定而造成的误差所引起的脉冲干扰比较有效对缓慢变化的过程变量采用中值滤波效果比较好 但对快速变化的过程变量 如流量 则不宜采用中值滤波对于采样点多于三次的情况不宜采用 3 程序判断滤波 根据生产经验或计算公式 确定出相邻两次采样信号之间可能出现的最大偏差若两次采样偏差绝对值超过此偏差值 则表明干扰信号对采样数据的影响不容忽视 应该进行处理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 以及传感器不稳定而引起采样信号的失真等 可采用程序判断法进行滤波限幅滤波限速滤波 限幅滤波 当 x n x n 1 e时 则x n x n 1 当 x n x n 1 e时 则x n x n 用于变化比较缓慢的参数如温度 物位等测量系统使用时关键问题是最大允许误差e的选取 限速滤波 若 x 2 x 1 e时 则保留x 2 若 x 2 x 1 e时 x 2 不采用但保留 继续取x 3 若 x 3 x 2 e时 则取x 3 做为采样的真实信号若 x 3 x 2 e时 取 x 3 x 2 2做为真实信号缺点 e要根据现场检测 测试之后而定 对不同的过程变量 不能根据现场的情况不断更换新值不能反应采样点数N 3时各采样数值受干扰倩况实际使用中 可用 x 1 x 2 x 2 x 3 2取代e 这样也可基本保持限速滤波的特性 虽增加运算量 但灵活性大为提高 4 RC低通数字滤波 模拟低通滤波器的传递函数计算机实现 须将其离散化 图6 9RC低通滤波器 RC低通数字滤波对周期性干扰具有良好的抑制作用 适用于波动频率较高参数的滤波其不足之处 引入了相位滞后 灵敏度低不能滤除掉频率高于采样频率二分之一 称为香农频率 以上的干扰信号如 采样频率为100Hz 则不能滤去50Hz以上的干扰信号对于高于香农频率的干扰信号 应采用模拟滤波器 5 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 6 4 2软件抗干扰技术 1 输入数字量的软件抗干扰技术干扰信号多呈毛刺状 作用时间短 利用这一特点 对