计算机控制技术

1 计算机控制系统应用软件及其系统可靠性计算机控制系统应用软件及其系统可靠性 一一 引言引言 随着社会的不断进步 科学技术的不断发展 计算机控制系统的应用领域也越来越广 不但是国防 航空航天等高精尖学科必不可少的组成部分 而且在现代化的工 农 医等 领域也发挥这非常重要的作用 计算机控制系统作为自动化设备的重要组成部分 它的应 用软件和可靠性也是人们关注的重要问题之一 计算机控制系统可靠性是指其在规定时间内和工作条件下 能正确地完成规定功能的 能力 这里有一点要明确 这里系统的可靠性 并不是指系统在执行任务期间不准发生任 何的故障 发生一些局部的故障是被允许的 不管这些故障是不是能在系统执行过程中被 消除 只要这些故障不影响系统按照预定的计划完成规定的功能 即认为该系统是可靠的 靠性是由制造该系统所需要的材料和元器件的可靠性所决定的 系统的工作可靠性是 指系统在实际执行任务时的可靠性 计算机控制系统软件主要包括系统软件与应用软件 系统软件是指操作系统 它提供 了程序运行的环境 以及各种设计语言 算法库 工具软件 应用软件是用户为完成特定 的人能无而编写的各种程序总称 一般需要应用单位根据不同的控制对象和不同的控制任 务组织专门人员进行编写 二二 计算机控制系统应用程序的基本步骤计算机控制系统应用程序的基本步骤 1 1 应用程序设计的特点应用程序设计的特点 1 1 应用程序与硬件配置密切相关 应用程序与硬件配置密切相关 计算机控制系统中的应用软件 是针对某一具体控制问题而设计的 控制对象和控制 要求不同 选用的硬件配置必然不一样 2 2 频繁的端口操作 频繁的端口操作 计算机控制系统过程通道的端口和计算机的 I O 端口总是处于频繁工作状态 相应的 软件设计必须保证 I O 端口工作的实时性和可靠性 3 3 实时性要求 实时性要求 在控制任务较复杂时 程序的执行时间是控制系统应用软件设计必须顾及的一个问题 应特别注意采样周期 控制周期与中断周期在实时性方面能否满足要求 4 4 软件可靠性与抗干扰能力要求 软件可靠性与抗干扰能力要求 工业现场的环境一般比较复杂 干扰源比较多 并且控制系统的高可靠性又是必须的 因此 在计算机控制系统设计过程中 除了考虑硬件抗干扰外 必须顾及软件抗干扰 2 2 应用程序的设计步骤应用程序的设计步骤 1 问题定义 2 程序设计 3 手编程序 4 查错 2 5 调试 6 文件编制 7 维护和再设计 否 是 是 是 问题定义 程序设计 文件编制 手编程序 开始 调试 结束 有 错 否 否 查错 有错 维护和再设计 大错 应用软件设计的流程图应用软件设计的流程图 3 3 应用程序设计方法应用程序设计方法 1 1 模块化程序设计 模块化程序设计 模块化程序设计的出发点是把一个复杂的程序 分解为若干个功能模块 每个模块执 行单一的功能 并且具有单入口单出口结构 在分别进行独立设计 编程 查错和调试之 3 后 最终装配在一起 连接成完整的大程序 2 2 自顶向下程序设计 自顶向下程序设计 先从系统一级的管理程序 或者主程序 开始设计 从属的程序或者子程序用一些程 序标志来代替 当系统一级的程序编好后 再将各标志扩展成从属程序或者子程序 最后 完成整个系统的程序设计 3 3 结构化程序设计 结构化程序设计 结构化程序设计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 许多模块组成的软件系统 在详细设计或编程阶段 采用自顶向下逐步求细的方法 可以 把一个模块的功能逐步分解细化为一系列具体的处理步骤或某种高级语言的语句 4 4 控制软件的设计控制软件的设计 对计算机控制系统来说 控制软件包括 实时管理软件和过程监视及控制算法计算软 件两大部分 实时管理软件是对整个控制系统进行管理用的程序 包括对应用控制程序的调度 I O 管理 中断管理 实时管理等 相当于整个计算机控制系统的主程序 过程监视及控制算法计算软件主要是根据采集的信息 输入的指令以及所设计的控制 算法而编制的程序 主要包括 数据变换处理程序 控制指令生成程序 事故处理程序 信息管理程序 三三 数字滤波的原理及各种滤波方法的应用特点数字滤波的原理及各种滤波方法的应用特点 1 1 数字滤波原理数字滤波原理 数字滤波 digitalfilter 是由数字乘法器 加法器和延时单元组成的一种计算方法 其功能是对输入离散信号的数字代码进行运算处理 以达到改变信号频谱的目的 由于电 子计算机技术和大规模集成电路的发展 数字滤波已可用计算机软件实现 也可用大规模 集成数字硬件实时实现 数字滤波是一个离散时间系统 按预定的算法 将输入离散时间 信号转换为所要求的输出离散时间信号的特定功能装置 应用数字滤波处理模拟信号时 首先须对输入模拟信号进行限带 抽样和模数转换 数字滤波输入信号的抽样率应大于被 处理信号带宽的两倍 其频率响应具有以抽样频率为间隔的周期重复特性 且以折叠频率 即 1 2 抽样频率点呈镜像对称 为得到模拟信号 数字滤波处理的输出数字信号须经数模 转换 平滑 数字滤波克服了模拟滤波器的不足 它与模拟滤波器相比有以下几个优点 1 由于数字滤波是用程序实现的 因而不需要增加硬件设备 很容易实现 同时 多个输入通道还可以共用一个滤波程序 2 由于数字滤波不需要硬件设备 因而可靠性高 稳定性好 各回路之间不存在阻 抗匹配等问题 3 数字滤波可以对频率很低的信号实现滤波 而模拟滤波器在低频段滤波难以取得 好的滤波效果 4 通过改写数字滤波程序 可以实现不同的滤波方法或调整滤波参数 它比改变模 拟滤波器的硬件方便得多 4 2 2 滤波方法滤波方法 1 1 程序判断法 程序判断法 程序判断滤波的方法 便是根据实际经验 确定出相邻两次采样信号之间可能出现的 最大偏差 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 限幅滤波法 限幅滤波的作法是把两次相邻的采样值相减 求出其增量 以绝对值表示 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 其中 Y k 是第 k 次采样值 Y k 1 是第 k 1 次采样值 Y是相邻两次采样值可能的 最大偏差 其大小取决于采样周期T及Y值的动态响应 限速滤波法 限速滤波是用三次采样值来决定采样结果 其方法是 当 Y n Y n 1 Y时 再采样一次 取得Y n 1 然后根据 Y n 1 Y n 与 Y的大小关系来决定本次采 样值 具体判别式如下 设顺序采样时刻tn 1 tn tn 1 所采集的参数分别为Y n 1 Y n Y n 1 那么 当 Y n Y n 1 Y时 取Y n 输入计算机 当 Y n Y n 1 Y时 Y n 不采用 但仍保留 继续采样取得Y n 1 当 Y n 1 Y n Y时 取Y n 1 输入计算机 当 Y n 1 Y n Y 时 取Y n Y n Y n 1 2 输入计算机 限幅滤波法 主要用于变化比较缓慢的参数 如温度 液位等 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 通常可根据经验数据 获取 必要时 也可由实验得出 限速滤波是一种折衷方法 既照顾了采样的实时性 又顾及了采样值变化的连续性 但这种方法也有明显的缺点 第一是 Y的确定不够灵活 必须根据现场的情况不断更换 新值 第二是不能反应采样点数N 3 时各采样值受干扰情况 因此 它的应用受到一定的 限制 2 2 中位值滤波 中位值滤波 这种滤波法是将被测参数连续采样N次 一般N取奇数 然后把采样值按大小顺序排 列 再取中间值作为本次的采样值 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 但对快速变化的参数 如 流量 则不宜采用 3 3 算术平均滤波法 算术平均滤波法 5 这种方法就是在一个采样期内 对信号x的N次测量值进行算术平均 作为时刻k的 输出 即 其中N为采样次数 xi为第i次的采样值 显然 N越大 平滑度越高 但是灵敏度 越低 N的值应视具体情况而定 一般流量信号取N 10 压力信号取N 5 温度 成份等 缓慢变化的信号取N 2 算术平均值法适用于一般的具有随机干扰信号的滤波 它特别适合于信号本身在某一 数值范围附近作上下波动的情况 如流量 液位等信号的测量 4 4 加权算术平均值滤波 加权算术平均值滤波 算术平均值对于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 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 加权平均值法 即 其中C0 C1 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 它可根据具体情况而定 通常采样次数愈靠后 取的比例越大 5 5 移动算术平均值滤波 移动算术平均值滤波 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 这种方法适 合于有脉动干扰的场合 但是由于必须采样N次 需要时间较长 可能导致采样周期和控 制周期过长 为了克服这一缺点 可采用滑动平均值滤波法 即在每个采样周期只采一次 在内存单元内依次存放N次采样值 每采进一个新数据 就将最早采集的那个数据丢掉 然后求包含新值在内的N个数据的算术平均值或加权平均值 6 6 惯性滤波 惯性滤波 对于慢速随机变化的参数 采用在短时间内连续采样求平均值的方法 其滤波效果不 够好 在这种情况下 通常采用动态滤波方法 如一阶滞后滤波法 其表达式为 Yn 1 Xn Yn 1 式中 Xn为第n次采样值 Yn 1 为上次滤波输出值 Yn为第n次采样后的滤波输出 值 为滤波平滑系数 T T T T 为滤波环节的时间常数 T为采样周期 通 常 采样周期T远小于滤波环节的时间常数T T 和T的选择可根据具体情况确定 只 要使被滤波的信号不产生明显的波纹即可 惯性滤波也称为一阶滞后滤波 适用于波动频繁的工艺参数滤波 它能很好地消除周 期性干扰 但也带来了相位滞后 滞后相位角度的大小与 的选择有关 7 7 复合滤波 复合滤波 复合滤波就是把两种以上的滤波方法结合起来使用 例如把中值滤波的思想与算术平 均的方法结合起来 就是一种常用的复合滤波法 具体方法是首先将采样值按大小排队 去掉最大和最小的 然后再把剩下的取平均值 这样显然比单纯的平均值滤波的效果要好 N i i x N kx 1 1 1 0 N i iNix CkY1 1 0 N i i C 其中 6 3 3 各种数字滤波性能的比较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惯性 滤波方法 对于那些变换比较快的脉冲参数 如压力 流量等 则可以选择算数平均和加 权平均滤波法 特别是加权平均滤波方法更好 至于要求比较高的系统 需要复合滤波方 法 在算数平均法和加权平均滤波法中 其滤波效果与所选择的采样次数 N 有关 N 越大 滤波效果越好 但花费的时间也越长 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 机时间容许 可采用效果更好的复合滤波程序 四四 计算机控制系统的抗干扰措施及应用计算机控制系统的抗干扰措施及应用 1 1 计算机控制系统的可靠性计算机控制系统的可靠性 1 1 可靠性与可靠性指标 可靠性与可靠性指标 计算机控制系统的发展史就是一部不断提高系统可靠性的历史 从 DDC 到 DCS FCS 的 设计思想就是把危险分散 使局部故障的发生不影响全局的运行 高集成度的 LSI 是提高 MTBF 的重要措施 标准化 冗余技术 自诊断技术 容错技术 加密技术等新技术的开发 都大大提高了系统的可靠性 可靠性 广义 指机器 零件或系统 在规定的工作条件下 在规定的时间内具 有正常工作性能的能力 包含可维修性 可靠性 狭义 指一次性使用的机器 零件或系统的使用寿命 可靠度 指机器 零件或系统 从开始工作起 在规定的使用条件下的工作周期内 达到所规定的性能 即无故障正常状态的概率 平均无故障时间 MTBF 指可以边修理边使用的机器 零件或系统 相邻故障期 间的正常工作时间的平均值 MTTF 到发生故障的平均时间指不能修理的机器 零件或系统至发生故障为止的工 作时间的平均值 即指不可修复产品的平均寿命 故障率 指能工作到某个时间的机器 零件或系统 在连续单位时间内发生故障的 比例 衡量可靠性的主要标准 故障前平均时间 平均故障间隔时间 平均修复时间 可 靠度 失效率 利用率 2 2 提高系统可靠性的措施 提高系统可靠性的措施 提高计算机控制系统硬件可靠性的措施 冗余结构设计 冗余设计是以投入相同的装置 部件为代价来提高系统的可靠性 可分为 工作冗余 热后备 后备冗余 冷后备 不易发生故障的硬件设计 对元部件进行严格筛选 充分重视元部件安装的机械强度 对组件采取涂漆和浇注处 7 理可进一步提高机械紧固性 抗温升保护 少用插座 提高计算机控制系统软件可靠性的措施 分散结构设计 模块化 容错技术 指令冗余 以牺牲时间为代价提高软件可靠性 信息冗余 附加检错码或纠错码 标准化 2 2 计算机控制系统的抗干扰措施计算机控制系统的抗干扰措施 干扰就是有用信号以外的噪声或造成计算机设备不能正常工作的破坏因素 现场情况 计算机控制系统的工作环境恶劣 干扰频繁 如不加以抑制 将会影响到计算机控制系统 的可靠性和稳定性 许多从事计算机控制工程的人员都有这样的经历 在实验室里通过硬 件和软件的调试 已能正常模拟生产运行控制的计算机控制系统 一到现场就不能正常工 作 出现一些让人不知所措 莫名其妙的问题 有的时好时坏 有的甚至一开机就失灵 抗干扰技术对于计算机控制系统的重要性 在对系统的状态参数进行测量的过程中 干扰 信号会使测量结果产生误差 依照此测量结果而运算出的控制命令是不正确的 在按照给 定的控制规律进行运算的过程中 干扰信号可能导致误操作 而且现代计算机控制系统在 结构方面的特点 使抗干扰技术越来越显得重要 系统的各个装置已经小型化 集成化 数字化 然而在极小的空间内却容纳并处理着大量的信息 同时系统还要实施各种控制 其结果是抵御干扰的能力自然会有所下降 另外 系统采用大量的低电平信号电路 致使 干扰的作用更加明显 1 1 干扰来源 干扰来源 空间感应的干扰 空间感应的干扰主要来源于电磁场在空间的传播 例如 输电线 和电气设备发出的电磁场 空中雷电等放电现象 过程通道的干扰 过程通道的干扰常常沿着过程通道进入计算机 主要原因是过程 通道与主机之间存在公共地线 要设法削弱和斩断这些来自公共地线的干扰 以提高过程 通道的抗干扰能力 过程通道的干扰按照其作用方式 一般分为串模干扰和共模干扰 电源系统的干扰 控制用计算机一般由交流电网供电 220V AC 50Hz 电压不稳 频率波动 突然掉电事故难免发生 这些都会直接影响计算机系统的可靠性与稳定性 地电位波动的干扰 计算机控制系统分散的很广 地线与地线之间存在一定的电位 差 计算机交流供电电源的地电位很不稳定 在交流地上任意两点之间 往往很容易就有 几伏至十几伏的电位差存在 反射波的干扰 电信号 电流 电压 在沿导线传输过程中 由于分布电容 电感 和电阻的存在 导线上各点的电信号并不能马上建立 而是有一定的滞后 离起点越远 电压波和电流波到达的时间越晚 这样 电波在线路上以一定的速度传播开来 从而形成 行波 如果传输线的终端阻抗与传输线的波阻抗不匹配 那么当入射波到达终端时 便会 引起反射 同样 反射波到达传输线始端时 如果始端阻抗也不匹配 也会引起新的反射 这种信号的多次反射现象 使信号波形严重地畸变 并且引起干扰脉冲 2 2 硬件抗干扰 硬件抗干扰 过程通道干扰的抑制 光电隔离 继电器隔离 变压器隔离 采用双绞线作信号线 8 反射波干扰的抑制 影响反射波干扰的因素有两个 其一是信号频率 传输信号频 率越高 越容易产生反射波干扰 因此在满足系统功能的前提下 尽量降低传输信号的频 率 其二是传输线的阻抗 合理配置传输线的阻抗 可以抑制反射波干扰或大大削弱反射 次数 空间干扰的抑制 抗空间干扰的主要措施就是采取屏蔽措施 屏蔽是指用屏蔽体把 通过空间进行电场 磁场或电磁场耦合的部分隔离开来 隔断其空间场的耦合通道 良好 的屏蔽是和接地紧密相连的 因而可以大大降低噪声耦合 取得较好的抗干扰效果 3 3 软件抗干扰 软件抗干扰 指令冗余技术 所谓指令冗余技术是指在程序的关键地方人为地加入一些单字节指 令 NOP 或将有效单字节指令重写 当程序 跑飞 到某条单字节指令上 就不会发生将 操作数当作指令来执行的错误 使程序迅速纳入正轨 常用的指令冗余技术有两种 NOP 指令的使用和重要指令冗余 NOP 指令的使用 通常是在双字节指令和 3 字节指令之后插入两个单字节 NOP 指令 这样 即使因为 跑飞 使程序落到操作数上 由于两个空操作指令 NOP 的存在 不会将其后的指令当操 作数执行 从而使程序纳入正轨 通常 一些对程序流向起重要作用的指令 如 RET RETI ACALL LCALL LJMP SJMP JZ JNZ JC JNC JB JBC DJNZ 等 和某些 对系统工作状态起重要作用的指令 如 SETB 等 的前面插入两条 NOP 指令 以保证跑飞的 程序迅速纳入轨道 确保这些指令的正确执行 重要指令冗余 通常在那些对于程序流向起决定作用或对系统工作状态有重要作用的指令的后边 如 前文所列举的一些指令 可重复写上这些指令 以确保这些指令的正确执行 值得注意的 是 虽然加入冗余指令 能提高软件系统的可靠性 但却降低了程序的执行效率 所以在 一个程序中 指令冗余 不能过多 否则会降低程序的执行效率 软件陷阱技术 若 跑飞 的程序进入非程序区 如 EPROM 未使用的空间或某些数据表格区 则采用 指令冗余技术就不能使 跑飞 的程序恢复正常 这时可以设定软件陷阱 软件陷阱 就是当 PC 失控 造成程序 乱飞 而进入非程序区时 在非程序区设置 一些拦截程序 将失控的程序引至复位入口地址 0000H 或处理错误程序的入口地址 ERR 在此处将程序转向专门对程序出错进行处理的程序 使程序纳入正轨 软件陷阱的安排 4 4 计算机控制系统的接地技术 计算机控制系统的接地技术 接地的目的有两个 一是保护计算机 电器设备和操作人员的安全 二是为了抑制干 扰 使计算机工作稳定 接地的种类 通常接地可分为工作接地和保护接地两大类 保护接地主要是为了避免操作人员因设备的绝缘损坏或下降时遭受触电危险和保证设 9 备的安全 工作接地则主要是为了保证计算机控制系统稳定可靠地运行 防止地环路引起的干扰 在计算机控制系统中 大致有交流地 系统地 安全地 数字地 逻辑地 和模拟地 等几种 输入系