讲义 第五章 应用程序设计与实现技术.doc

第五章 应用程序设计与实现技术在第一章的绪论当中，我们曾经讲过，工业控制机的组成由硬件和软件两部分组成。软件是工业控制机的程序系统，分为系统软件，支持软件和应用软件三部份。本章主要介绍应用软件有关的一些问题。所谓应用软件就是面向控制系统本身的程序，它是根据系统的具体要求，由用户自己设计的。实际在我们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来设计好的应用程序。如何设计好应用程序是完成计算机控制系统的重要环节。图5.1 程序设计过程5.1 程序设计技术一个控制系统要完成的任务往往是错综复杂的，程序设计中的首要一步，就是要把程序承担的各项任务明确的定义出来。应用程序设计的每一步之间是相互影响的，设计者往往同时要在几个步骤上同时设计。一个完整的程序设计过程可以用图5.1来说明，首先要分析用户的要求，这大约占整个程序设计工作量的10；然后编写程序的说明，这大约占10；接着进行程序的设计和编码，这大约占30左右；最后进行测试和调试，这要花费整个程序设计工作量的40以上。5.1.1 模块化与结构化程序设计1. 模块化程序设计 出发点（思路）：把一个复杂的系统软件，分解成若干个功能模块，每个模块具有单入口单出口结构，执行单一功能。（1）自底向上模块化设计 首先开发底层模块，包括编码、测试、调试，使其正常工作，再利用它们来开发较高层的模块。一般用于汇编语言的编程。问题：这种设计方法，高层模块设计中的根本错误也许要很晚才能发现.。（2）自顶向下设计 首先对高层模块进行设计开发。在此过程中，用“结点”来代替还未编码的较底层模块。一般用于高级语言的编程。问题：程序的大小、性能往往要开发完底层模块后才能知道。实际开发过程中，可以把两种方法结合起来，先开发高层模块和关键性的低层模块，并以“结点”来代替以后开发的不太重要的模块。举例来说，如果要编写一个信号检测与分析的程序。程序一般会包括信号检测子程序，信号分析子程序，绘图子程序，控制子程序，输出子程序等。2. 结构化程序设计方法图5.2 程序的基本控制结构结构化程序设计的概念最早由Dijkstra E.W在1965年提出。“可从高级语言中取消GO TO语句”，“程序的质量与程序所包含的GO TO语句的数量成反比”。1966年，Bohm C和Jacopini G证明了只用三种基本的控制结构顺序，选择，循环结构就能实现任何单入口、单出口的程序，其图可见图5.2。其实用顺序结构和循环结构也可以实现选择结构，因此理论上最基本的控制结构只有顺序结构和循环结构两种。3. 程序设计步骤（1）问题定义：明确计算机控制系统所要完成哪些任务，执行什么程序、输入输出的形式、与接口硬件电路如何配合、出错处理方法。（2）程序设计：对任务用程序等方式做出描述，模块程序设计法与结构化程序设计法。（3）编码：选取适当的高级语言，书写程序.（4）调试：利用（软、硬）各种方法检查程序的正确性.（5）改进再设计：根据调试中的问题对原设计做修改，并进行补充。5.1.2 面向过程与面向对象的程序设计1 面向过程的程序设计过程式程序设计是面向功能的。编写程序时首先要定义所要实现的功能，然后设计为这些功能所要执行的步骤，这些步骤就是过程。编写代码实际上就等于分解这些步骤，使每一步直接对应一行代码。2 面向对象的程序设计面向对象的方法更强调运用人类在逻辑思维中经常采用的思想方法与原则，例如抽象，分类，继承，封装等，使软件开发人员能够用自然思维的方法思考问题。采用了面向对象的设计方法之后，程序不仅易于理解，而且易于维护和修改，从而提高了程序的可靠性和可维护性，同时提高了公共问题领域中程序模块化和重用化的可能性。5.1.3 工业控制组态软件计算机控制系统的组态计算机控制系统的组态功能可以分为两个主要方面，即硬件组态和软件组态。硬件组态是指根据不同的控制对象，选择相应的功能模板，组成不同的应用系统，只需按要求对各种功能模板安装和连线即可，硬件工作基本上很少。以往设计计算机控制系统的软件是靠软件人员通过编程实现的，工作量非常之大，如实时数据库，图形，报表等等都需要按照要求编写，而且设计出来的软件通用性极差，对于每个不同的应用对象都需要重新设计或修改程序。近来，工业控制组态软件得到了广泛的重视和迅速的发展。工业控制组态软件是标准化，规模化，商品化的通用的过程控制软件，控制工程师不必了解计算机的硬件情况下，在离线的状态下就可以通过屏幕完成控制程序的设计，大大减小了重复性，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，缩短了开发周期。如组态王，INTOUCH,FIX,WINCC等组态软件。其主要的组态功能有：1 控制组态在工业控制组态软件中，一般有PID等一些基本算法可以用来控制不同的回路。2 图形生成系统可以通过图形画面来监控生产过程的状况。分为静态画面和动态画面。这部分功能强大，比自己设计强千百倍，非常形象，漂亮。3 显示组态各种模拟显示表的选择，定义和显示。参数的曲线趋势显示。报警系统的显示，各类报表的显示。5.2 测量数据预处理技术在计算机控制系统中，经常需对生产过程的各种信号进行测量。测量时，一般先用传感器把生产过程的信号转换成电信号，然后用A/D转换器把模拟信号变成数字信号，进入到计算机进行运算。对于这样得到的数据，可能会有这样或那样的问题，必须进行一定的预处理才能使用。5.2.1 系统误差的自动校准 系统误差是指在相同条件下，经过多次测量，误差的数值保持恒定，或者按照某种已知的规律变化的误差。其产生的原因一般也是知道的。如零点漂移导致的误差就属于系统误差。原则上讲，这类误差是可以通过适当的技术途径来确定并加以校正的。1. 数字调零 （1）先把多路输入接到所测量的一组电压上测量，得输入值（2）把多路开关输入接地，测量的输出为图5.3 数字调零电路（3）为实际输入电压。可去掉放大电路、输入电路，A/D转换器等本身的偏移及随时间和温度而发生的各种飘移影响，即对精度要求不高，降低硬件成本。2. 自动校准思路：在系统开机后每隔一定的时间自动测量基准参数，然后计算出误差模型，获得并存储误差补偿因子。在正式测量时，根据所测结果和补偿因子来进行校准，从而消除误差。（1）全自动校准系统自动完成，不需人的介入，只适应于基准参数是电信号的场合，不能校正传感器引入的误差。进行自动校准时，先把开关接地，测出此时的输入值，然后把开关接测出输入值。当正式测量时，如测出的输入值为，则此时的电压图5.4 全自动校准电路（2）人工自动校准人工测标准输入信号测出的数据为。实际被测信号，测出的信号为，则特别适合传感器特性随时间会发生变化的场合。如是温度传感器，其特性会随时间发生变化，那么人工定期（三个月）用其它精准的测量手段测出温度值，把它作为校准值，在以后的测量过程中，就可以比原传感器准确。5.2.2 线性化处理和非线性补偿 由于检测方法的不同和检测元器件各自原理的不同，实际上很多检测中的被测量是由一些非线性化运算得到的。这些非线性化的计算公式对于计算机来说，占用的计算量较大，费时也长。因此，需进行相应的处理。1. 线性化处理（1）对其进行分段线性化，然后利用线性化公式计算。首先判断测量数据处于哪一折线段之内，然后按相应段的线性化公式计算出值。（2）事先进行好对应的运算结果，存储到表内、查表。举例来说： 铂热电阻的阻值于温度的关系铂电阻适用于200850范围内测温，其关系式为：若已知铂电阻的阻值，按上式计算温度，显然很麻烦，对于工控机来说，占有的计算量比较大。因此，由上面的两种方法来求。2. 非线性补偿（1）有些检测值与真实值有偏差，需对其进行补偿 （2）有些值无法直接检测，先测其它参数，然后通过公式计算出来。5.2.3 标度变化方法计算机控制系统在读入被测模拟信号并转换成数字量后，往往要转换成操作所熟悉的工程值，但一般A/D转换后的数码值仅仅对应了参数值的大小，而与实际被测量的量纲不一样了，所以要将其转换为带量纲的数值后进行运算、显示、打印输出，这种转换成为标度转换。标度变换方法有：1线性变换公式 前提：参数值与A/D转换结果之间为线性关系。 其中，表示参数测量值，表示参数量程的最大，最小值， ，表示，对应的A/D转换值式中，是事先已知的，可提前计算出来放在一边，因此，只需一次乘法，一次加法运算。2公式转换法有些传感器测出的数据与实际的参数是非线性关系，直接按其解析式来计算。例： 差压变送器信号，差压与流量的平方成正比 即A/D转换后的测量值3其它标度方法无法写出解析式或计算困难，采用多项式插值法或查表法进行表度变换。5.2.4. 越限警报由采样读入的数据或经计算机处理后的数据是否超过工艺参数的范围，计算机要加以判别，如果超越了规定数值，就需要通知操作人员采取相应的措施，确保生产的安全。在控制系统中常用的报警方式是声、光及语言报警，常用的最简单的报警程序是越限报警。超限报警分为上限报警、下限报警及上下限报警。， 上下限报警5.3 数字控制器的工程实现图5.5 数字控制器（PID）的控制模块 为了设计的数字控制器能够被尽可能多的回路来用，必须在设计过程中考虑多种问题，含有多种可选择的功能，以便使用户选择。一般来说，数字控制的算法的工程实现可分为6个部分，如图5.5，PID数字控制器的控制模块。5.3.1 给定值和被控制量的处理1. 给定值处理 给定值处理包括选择给定值，给定值变化率限制SR。 SRSVCSVSSVLCASSCCCRCLCSVSVSV图5.6 给定值处理（1）选择给定值内给定状态：当软开关CR/CL切向CL位置时，选择操作员设置的给定值SVL。外给定状态：当软开关CR/CL切向CR位置时，选择来自上位机模块，主回路模块或运算模块计算得到的给定值。a: SSC控制（监督控制）系统 Supervisory Computer Contorl CAS/SCC切向SCC，给定值SVS来自SCC中的上位机b: 串级控制 CAS/SCC切向CAS 给定值SVS来自主控回路，实现串级控制（2）给定值变化率限制SR为了减少给定值突变对系统的扰动，防止比例、微分饱和，实现平稳控制，需对SR进行限制。SR: 过小：响应慢； 过大：达不到目的（3）计算机存储的变量3个输入，2个输出，2个开关量，1个变化率2 被控量处理（上、下限报警），变化率限制图5.7 被控值处理（1）上、下限报警（发声、发光） PVPH时，上限报警状态为PHA=1； PVDL, 偏差报警状态DLA=1（3）输入补偿根据输入补偿方式ICM的状态，决定偏差DVC与输入补偿量ICV之间的关系：ICM=0, 无补偿， CDV=DVC,ICM=1, 加补偿， CDV=DVC+ICV, ICM=2, 减补偿， CDV=DVC-ICV,ICM=3, 置换补偿， CDV=ICV,（4）非线性特性非线性区：A+A图5.9 非线性特性非线性增益K;K=0; 为带死区的PID控制；0KMH, u=MH,u自动： 此时并不进行PID运算，但要 a：使给定值CSV跟踪被控量CPV。 b：。c：跟踪手动时的控制量（MV or VM）,需要硬件电路配合。自动手动：SA：软自动HA：自动。SASM，可直接实现。HAHM，手动操作器电路可实现。（5）计算机存储的变量 软自动控制量CMV，软手动控制量SMV，软开关SA/SM，控制限值MH，ML，MHMLMVSVSHAHMSASMHA/HM图