第六章-应用程序设计与实现技术PPT课件

1 电气与自动化工程学院计算机控制系统 第六章应用程序设计与实现技术 第十六讲 1 2 电气与自动化工程学院计算机控制系统 2 本章知识结构 3 在计算机控制系统中 除了硬件电路外 还有 应用 软件 硬件是整个系统能够正常运行的基础 而应用程序则是系统的灵魂 从数据输入到数据处理 显示 报警打印等功能的实现 以及包括各种数据库的相关操作 都是依赖程序完成的 在进行计算机控制系统设计时 大量的工作就是如何根据各个生产过程的实际需要设计应用程序 第十六讲 电气与自动化工程学院计算机控制系统 3 4 6 1概述6 2应用程序设计技术6 3查表技术6 4线性化处理技术6 5标度变换和量程自动转换6 6报警程序设计6 7DSP在数据处理中的应用6 8小结 电气与自动化工程学院计算机控制系统 4 5 6 1概述 在计算机控制系统中 模拟量经A D转换后变成数字量送入计算机 这些数字量在进行显示 报警及控制之前 必须根据需要进行相应的加工处理 如数字滤波 标度变换 数值计算 逻辑判断及非线性补偿等 以满足不同系统的需要 本章主要介绍几种计算机控制系统中常用的程序设计方法 数据处理方法 如计算法 查表法 插值法 零点补偿法 标度变换及非线性补偿等 电气与自动化工程学院计算机控制系统 5 6 6 2应用程序设计技术 6 2 1应用程序设计的基本任务程序设计的第一步是了解系统的工艺流程 确定控制系统对控制任务的要求 综合考虑软硬件设计方案 然后分别进行硬件方案的设计和程序设计 程序设计最基本的问题是定义输入和输出 在输入数据和送出控制信号之间要确定处理哪些数据 控制算法的选择和确定等 最后错误处理和故障诊断在实时控制系统中也是重要的内容 电气与自动化工程学院计算机控制系统 6 7 6 2 2应用程序设计的基本步骤与方法 应用程序设计的基本步骤计划 确定总目标 功能 性能 可靠性及接口等 问题分析 写出软件需求说明书程序设计 划分各模块程序编写测试 在模拟系统使用环境下的条件下检验软件的各个组成部分运行维护 电气与自动化工程学院计算机控制系统 7 8 2 应用程序设计的方法模块化程序 绘制流程图把一个完备的功能由若干个小程序或模块共同完成 优点 单一功能模块无论编写或调试都很容易 一个模块可以被多个其他程序调用 检查错误容易 因为模块功能单一 且相对独立 不牵涉其他模块缺点 有些程序难以模块化 把模块装在一起时较困难 模块相互调用时易产生相互影响 如延时程序 显示程序 键盘处理程序和标准函数程序等 电气与自动化工程学院计算机控制系统 8 9 2 自顶向下程序设计 绘制流程图 写出管理程序并进行测试 对每一个程序标志进行程序设计 使它成为实际的工作程序 对整个程序进行测试 优点 设计 测试和连接同时按一个线索进行 矛盾和问题可以较早发现和解决 而且测试能够完全按真实的系统环境来进行 不需要依赖于测试程序 缺点 上一级的错误将对整个程序产生严重的影响 一处修改可能牵动全局 总的设计可能同系统硬件不能很好的配合 电气与自动化工程学院计算机控制系统 9 10 3 自底向上模块化设计自底向上模块化的设计是首先对最低层模块进行编码 测试和调试 这些模块正常工作后 就可以用它们来开发较高层的模块 这种方法是汇编语言设计常用的方法 电气与自动化工程学院计算机控制系统 10 11 在工业过程控制系统中 最常用的程序设计语言有汇编语言 C语言 VisualC 语言 VB NET开发平台 工业控制组态软件等 电气与自动化工程学院计算机控制系统 11 12 6 2 3工业控制组态软件 组态一词源于 configuration 从内涵上讲组态软件是指在软件领域内 操作人员根据应用对象及控制任务的要求 配置 包括对象的定义 制作和编辑 对象状态特征属性参数的设定等 用户应用软件的过程 也就是把组态软件视为 应用程序生成器 从应用角度讲 组态软件是完成系统硬件与软件沟通 建立现场与监控层沟通的人机界面的软件平台 组态软件内容主要包括 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 电气与自动化工程学院计算机控制系统 12 13 计算机控制系统的组态功能分为两个主要方面 即硬件组态和软件组态 硬件组态 以总线式 PC总线或STD总线 工业控制机为主进行选择和配置 在硬件上可以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 使硬件工作量几乎接近于0 只需按要求对各种功能模块进行安装和接线即可 软件组态 软件组态常以工业控制组态软件为主来实现 控制工程师不需了解计算机的硬件和软件 就可在触摸屏上采用菜单方式 用填表的办法 对输入 输出信号用 仪表组态 的方法进行软连接 电气与自动化工程学院计算机控制系统 13 14 国外组态软件 InTouch 万维公司 IFix 美国通用电气公司 GE 和日本Fanuc公司 WinCC 西门子公司 RSView32 AB公司 Citech 西亚特集团 等 国内组态软件 世纪星 北京世纪长秋科技公司 三维力控 北京三维力控科技公司 组态王KingView 北京亚控科技发展公司 紫金桥Realinfo 紫金桥软件技术公司 Controx等 电气与自动化工程学院计算机控制系统 14 15 尾矿胶结充填系统监控主界面 电气与自动化工程学院计算机控制系统 15 16 电气与自动化工程学院计算机控制系统 16 17 电气与自动化工程学院计算机控制系统 17 18 电气与自动化工程学院计算机控制系统 18 19 6 2 4软件工程方法概述 软件工程是开发 运行 维护和修复软件的系统方法 软件 定义为计算机程序 方法 规则 相关的文档资料及在计算机上运行时所必需的数据 软件工程包括三个要素 方法 工具和过程 电气与自动化工程学院计算机控制系统 19 20 6 3查表技术 常用的查表技术有三种方法 直接查找法 顺序查找法和对分查找法 6 3 1顺序查找法查找过程 从数据表头开始 依次取出每个记录的关键字 再与待查记录的关键字比较 若两者相符 即查到记录 若整个表未找到所需记录 则查找失败 特点 顺序查找法只适于数据记录个数较少的情况 电气与自动化工程学院计算机控制系统 20 21 顺序查找法的步骤如下 1 设定表格的起始地址 2 设定表格的长度 3 设定要搜索的关键字 4 从表格的第一项开始 比较表格数据和关键字 进行数据搜索 电气与自动化工程学院计算机控制系统 21 22 6 3 2计算查找法 计算查找法适用于数据按一定的规律排列 并且搜索内容和表格数据地址之间的关系能用公式表示的有序表格 只要根据所给的数据元素Xi 通过一定的计算 求出元素Xi所对应的数值的地址 然后将该地址单元的内容取出即可 采用计算查找法的关键在于找出一个计算表地址的公式 通常它适用于某些数值计算程序 功能键地址转移程序以及数码转换程序等 电气与自动化工程学院计算机控制系统 22 23 6 3 3对分查找法 对于从小到大 或从大到小 顺序排列的表格 通常采用快速而有效的对分查找法 对分查找的具体做法 先取数组的中间值D n 2进行查找 与要搜索的X值比较 若相等则查到 对于从小到大的顺序来说 如果X n 2项 则下一次取n 2 n间的中值 即与3n 4比较 若X n 2 则去0 n 2的中值 即与n 4比较 如此比较下去 则可逐次逼近要搜索的关键字 直至找到为止 对分查找法的最高搜索次数 和顺序查找法相比 对分法可以大大减少查找次数 提高检索效率 电气与自动化工程学院计算机控制系统 23 24 电气与自动化工程学院计算机控制系统 24 25 6 4线性化处理技术 在数据采集和处理系统中 计算机从模拟量输入通道得到的有关现场信号与该信号所代表的物理量不一定成线性关系 但在显示时希望系统的输入与输出呈线性关系 这将使仪表在整个范围内灵敏度一致 从而便于读数和对系统的分析和处理 为了得到线性输出的变量 需要引入非线性补偿 将非线性关系转化成线性的 这种转化过程称为线性化处理 最常用的是线性插值法和抛物线插值法 电气与自动化工程学院计算机控制系统 25 26 6 4 1线性插值法 将输出特性曲线按一定的规则插入若干个点 将曲线分成若干段 插入点X0和Xi之间的间距越小 那么在区间 X0 Xi 上实际曲线和近似直线之间的误差就越小 这就是线性插值法的思想 将相邻两点用直线连接起来 用直线替代相应的曲线 这样 原来复杂的非线性关系就可以通过简单的分段线性方程加以表示 1 线性插值原理 电气与自动化工程学院计算机控制系统 26 27 若输入信号X在区间 内 则对应的输出值Y为 将上式化简得 由上图可知 1 曲线斜率变化越小 替代直线越逼近特性曲线 则线性插值法带来的误差就越小 因此 线性插值法适用于斜率变化不大的特性曲线的线性化 2 插值基点取得越多 替代直线越逼近实际的曲线 插值计算的误差就越小 因此 只要插值基点足够多 就可以获得足够的精度 电气与自动化工程学院计算机控制系统 27 28 在分段法进行程序设计之前 必须首先判断输入值处于哪一段 为此 需要将与各分点值进行比较 以确定出该点所在的区间 然后转到相应段逼近公式进行计算 分段方法 等距分段法 沿X轴等间距地选取插值点 可简化计算过程 但若曲线斜率变化较大时 会产生一定的误差 非等距分段法 根据函数曲线形状的变化率的大小来修正插值点间的距离 但插值点的选取较麻烦 电气与自动化工程学院计算机控制系统 28 29 2 线性插值的计算机实现 利用计算机实现线性插值的步骤如下 1 用实验法测出传感器输出特性曲线 应尽可能保证该曲线的精确性 2 选取插值点 将绘制好的曲线分段 3 计算并存储各相邻插值点间逼近曲线的斜率Ki 求出模拟y f x 的近似表达Pn x 4 计算X Xi 5 读出X所在区间的斜率Ki 计算Y Yi Ki X Xi 6 编写语言程序 电气与自动化工程学院计算机控制系统 29 30 3 线性插值法非线性补偿实例 在过程控制中常遇到的两个非线性关系是温度与热电势 差压与流量 热电阻 其阻值是温度的函数 故使用热电阻必须通过电桥将电阻值的变化变为电压的变化 铂电阻的阻值与温度的关系 热电偶 两端的电压是温度的函数 热电偶的热电势与温度的关系 计算机处理数据前必须进行非线性补偿 电气与自动化工程学院计算机控制系统 30 31 该热电偶的输出特性曲线斜率的变化不大 可以采用线性插值法进行非线性补偿 选择4个插值基点 V1 T1 V2 T2 V3 T3 V4 T4 然后写出每段曲线的插值函数表达式 表达式如下所示 图6 3热电偶的输出特性曲线 电气与自动化工程学院计算机控制系统 31 32 6 4 2非线性插值法 仅靠增加线性插值基点的数量来减少误差是不可行的 抛物线插值法 通过特性曲线上三点做一条抛物线 用此抛物线替代特性曲线进行参数计算 抛物线插值法可以提高斜率变化较大曲线的非线性补偿的精度 图6 4线性插值法和抛物线插值法补偿精度比较 电气与自动化工程学院计算机控制系统 32 33 抛物线的方程 设特性曲线上三个点分别为 则系数M0 M1 M2的计算公式如下 电气与自动化工程学院计算机控制系统 33 34 图6 5用抛物线插值法实现非线性补偿程序流程图 电气与自动化工程学院计算机控制系统 34 35 6 5标度变换和量程自动转换 在计算机过程控制系统中 生产中的各个参数都有着不同的数值和量纲 所有这些参数都经过变送器转换成A D转换器所能接收的0 5V统一电压信号 又由A D转换成00H FFH的数字量 为实现显示 记录 打印以及报警等操作 必须把这些数字量转换成不同的单位 带有量纲的工程值 以便操作人员对生产过程进行监视和管理 这就是所谓的标度变换 标度变换取决于被测参数测量传感器的类型 设计时应根据实际情况选择适当的标度变换类型 电气与自动化工程学院计算机控制系统 35 36 标度变换的原理图 温度测控系统 标度变换的过程由算法软件程序完成 变换算法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 电气与自动化工程学院计算机控制系统 36 37 6 5 1标度变换方法 线性参数的标度变换所谓线性参数 指一次仪表测量值与A D转换结果具有线性关系或一次仪表是线性刻度的 其标度变换公式为 为简便起见 一般取被测参数的起点A0所对应的A D输出值为0 则 有时工程量的实际值需经过一次变换 电气与自动化工程学院计算机控制系统 37 38 例6 6某热处理炉温度测量仪表的量程为200 800 在某一时刻计算机采样并经数字滤波后的数字量为0 xCDH 求此时温度值为多少 设仪表量程为线性的 解 根据标度变换公式 A0 200 Am 800 Nx 0 xCDH 205 D Nm 0 xFFH 255 D 所以此时温度为 为实现上述转换 将其设为专门的子程序 当某一参数需要进行标度转换时 只需调用标度变换子程序即可 P196例6 7 电气与自动化工程学院计算机控制系统 38 39 2 非线性参数标度变换非线性参数的变化规律各不相同 故标度变换公式也需根据具体情况建立 1 公式变换法 流量标度变换公式在流量测量中 流量与差压间的关系为 据此可得测量流量时的标度变换为 电气与自动化工程学院计算机控制系统 39 40 对于流量仪表 通常其下限值G0 0 则 如果取差压变送器下限所对应的数字量N0 0 则 2 其他标度变换法多采用多项式插值法 线性插值法或查表法进行标度变换 电气与自动化工程学院计算机控制系统 40 41 6 5 2量程自动转换 在多回路检测系统中 当各回路的参数信号不一样时 必须提供各种量程的放大器 才能保证送到计算机的信号一致 0 5V 在模拟系统中 使用不同放大倍数的放大器 在电动单元组合仪表中 使用各种类型的变送器 如温度变送器 差压变送器 位移变送器等 随着计算机的应用 为减少硬件设备 使用可编程增益放大器 PGA 其放大倍数可根据需要用程序进行控制 量程自动转换 采用PGA 可通过程序调节放大倍数 使A D转换器满量程信号达到均一化 大大提高测量精度 电气与自动化工程学院计算机控制系统 41 42 图6 6集成PGA102内部结构 增益为1 10 100三档 电气与自动化工程学院计算机控制系统 42 43 INA102的增益为1 通过PGA102可获得1 10 100的增益 图6 7增益可编程仪用放大器 可选增益的低功耗仪用放大器 输入保护二极管 保证INA102两输入端电位不超过 15 0 7 V 电气与自动化工程学院计算机控制系统 43 44 图6 10采用多路开关的组合型PGA A1 A2 A3构成差动放大器 可抑制共模干扰A4为电压跟随器 多路开关 电气与自动化工程学院计算机控制系统 44 45 图6 8量程自动转换的流程图 电气与自动化工程学院计算机控制系统 45 46 6 6报警程序设计 在微机测控系统中 为保证生产设备 生产人员 生产环境的安全 对一些重要的参数或系统部位 需要设置紧急状态报警系统 提醒现场操作人员注意 以便采取相应的措施 报警方法 将系统采集的相关参数经计算机进行数据处理 数字滤波 标度变换之后 与该参数的上 下限约定值相比较 若等于或超出上 下限就实施报警 否则作为采样的正常值 进行显示和控制 电气与自动化工程学院计算机控制系统 46 47 6 6 1简单报警程序设计 微机测控系统中常用的报警方式对于测控系统 通常采用声 光及语言等形式进行报警 声 电铃 电笛 频率可调的蜂鸣器等光 LED或闪烁的白炽光语言 语音芯片有的报警系统还具有控制能力 将运行系统切换到人工操作 切断阀门 自动拨出电话号码等 电气与自动化工程学院计算机控制系统 47 48 1 简单声光报警LED 5 10mA的驱动电流 不能直接由TTL电平驱动 故需小功率的驱动器 为保持报警状态 故需锁存器或带有锁存器的I O接口芯片白炽灯 驱动电路使用微型继电器或固态继电器 图6 11简单报警电路原理图 电气与自动化工程学院计算机控制系统 48 49 2 声音报警驱动电路模拟声音集成芯片 HY8010系列 图6 12声音集成芯片HY8000A系列引脚图与应用电路原理图 电气与自动化工程学院计算机控制系统 49 50 2 报警程序的设计技术全软件报警程序 把温度 流量 压力 速度 成分等被测参数 经传感器 信号调理电路 A D转换器送到单片机后 与规定的上 下限进行比较 根据比较结果进行报警或处理 整个过程由软件实现 硬件申请软件处理报警程序 报警要求直接由传感器产生 如电接点式压力报警装置 当压力高于或低于某一