第7章 计算机控制系统软件设计 ppt课件

1、 软件是工业控制机的程序系统，它可分为系统软件和运用软件是工业控制机的程序系统，它可分为系统软件和运用软件。软件。 所谓运用软件就是面向控制系统本身的程序，它是根据系所谓运用软件就是面向控制系统本身的程序，它是根据系统的详细要求，由用户本人设计的。统的详细要求，由用户本人设计的。1.1.模块化程序设计模块化程序设计2.2.构造化程序设计构造化程序设计一个完好的程序设计过程可以用左图来阐一个完好的程序设计过程可以用左图来阐明。明。 首先要分析用户的要求，这大约占整个程首先要分析用户的要求，这大约占整个程序设计任务量的序设计任务量的10%；然后编写程序的阐明，这大约也占然后编写程序的阐明，这大约也

2、占10%；接着进展程序的设计与编码，这大约占接着进展程序的设计与编码，这大约占30%左右，其中设计与编码几乎各占左右，其中设计与编码几乎各占15%；最后进展测试和调试，这要破费整个程序最后进展测试和调试，这要破费整个程序设计任务量的设计任务量的40%以上。以上。 计算机控制系统的组态功能可分为两个主要方面，即硬件计算机控制系统的组态功能可分为两个主要方面，即硬件组态和软件组态。组态和软件组态。 硬件组态常以总线式硬件组态常以总线式(PC(PC总线或总线或STDSTD总线总线) )工业控制机为主进工业控制机为主进展选择和配置。展选择和配置。 工业控制组态软件是规范化、规模化、商品化的通用过程工业

3、控制组态软件是规范化、规模化、商品化的通用过程控制软件控制软件 。 组态任务是在组态软件支持下进展的，组态软件主要包括：组态任务是在组态软件支持下进展的，组态软件主要包括：控制组态、图形生成系统、显示组态、控制组态、图形生成系统、显示组态、I IO O通道登记、单位称通道登记、单位称号登记、趋势曲线登记、报警系统登记、报表生成系统共号登记、趋势曲线登记、报警系统登记、报表生成系统共8 8个方个方面的内容。面的内容。 计算机控制系统的画面显示普通分为三级即总貌画面、组貌计算机控制系统的画面显示普通分为三级即总貌画面、组貌画面、回路画面。假想象构成这些画面，就要进展显示组态操作。画面、回路画面。假

4、想象构成这些画面，就要进展显示组态操作。 显示组态操作包括选择模拟显示表、定义显示表及显示登记显示组态操作包括选择模拟显示表、定义显示表及显示登记方法等操作。方法等操作。 前往前往前往前往前往 传感器把消费过程的信号转换成电信号，然后用传感器把消费过程的信号转换成电信号，然后用A AD D转换器转换器把模拟信号变成数字信号，读入计算机中。把模拟信号变成数字信号，读入计算机中。 对于这样得到的数据，普通要进展一些预处置，其中最根本对于这样得到的数据，普通要进展一些预处置，其中最根本的处置有线性化处置、标度变换和误差自动校准。的处置有线性化处置、标度变换和误差自动校准。 RVV)(010 xxxx

5、 采用这种方法测得的采用这种方法测得的V V与放大器的漂移和增益变化无关，与与放大器的漂移和增益变化无关，与V V和和R R的精度也无关。这样可大大提高丈量精度，降低对电路器的精度也无关。这样可大大提高丈量精度，降低对电路器件的要求。件的要求。 xxyyRR 数字控制器算法的工程实现中，应留意的问题，由以下五数字控制器算法的工程实现中，应留意的问题，由以下五部分给出部分给出 : : (2) (2)外给定形状外给定形状 当软开关当软开关CLCLCRCR切向切向CRCR位置时，给定值来自上位计算机、主位置时，给定值来自上位计算机、主回路或运算模块。这时系统处于外给定形状。在此形状下，可以回路或运算

6、模块。这时系统处于外给定形状。在此形状下，可以实现以下两种控制方式。实现以下两种控制方式。 SCCSCC控制控制: :当软开关当软开关CASCASSCCSCC切向切向SCCSCC位置时，接纳来自上位置时，接纳来自上位计算机的给定值位计算机的给定值SVSSVS，以便实现二级计算机控制。，以便实现二级计算机控制。 串级控制串级控制: :当软开关当软开关CASCASSCCSCC切向切向CASCAS位置时，给定值位置时，给定值SVSSVS来自主调理模块，实现串级控制。来自主调理模块，实现串级控制。 (3) (3)给定值变化率限制给定值变化率限制 为了减少给定值突变对控制系统的扰动，防止比例、积分饱为了

7、减少给定值突变对控制系统的扰动，防止比例、积分饱和，以实现平稳控制，需求对给定值的变化率和，以实现平稳控制，需求对给定值的变化率SRSR加以限制。变化加以限制。变化率的选取要适中，过小会使呼应变慢，过大那么达不到限制的目率的选取要适中，过小会使呼应变慢，过大那么达不到限制的目的。的。 综上所述，在给定值处置中，共具有三个输入量综上所述，在给定值处置中，共具有三个输入量(SVL(SVL，SVCSVC，SVS)SVS)，两个输出量，两个输出量(SV(SV，CSV)CSV)，两个开关量，两个开关量(CL(CLCRCR，CASCASSCC)SCC)，一个变化率一个变化率(SR)(SR)。为了便于。为了

8、便于PIDPID控制程序调用这些量，需求给每控制程序调用这些量，需求给每个个PIDPID控制模块提供一段内存数据区，来存储以上变量。控制模块提供一段内存数据区，来存储以上变量。3 3输入补偿输入补偿 根据输入补偿方式根据输入补偿方式ICMICM形状，决议偏向形状，决议偏向DVCDVC与输入补偿量与输入补偿量ICVICV之间之间的关系，即的关系，即 当当ICM=0ICM=0，代表无补偿，此时，代表无补偿，此时CDV=DVCCDV=DVC； 当当ICM=1ICM=1，代表加补偿，此时，代表加补偿，此时CDV=DVC+ICV;CDV=DVC+ICV; 当当ICM=2ICM=2，代表减补偿，此时，代表

9、减补偿，此时CDV=DVC-ICV;CDV=DVC-ICV; 当当ICM=3ICM=3，代表置换补偿，此时，代表置换补偿，此时CDV=ICVCDV=ICV。 利用加、减输入补偿，可以分别实现前馈控制和纯滞后补偿利用加、减输入补偿，可以分别实现前馈控制和纯滞后补偿(Smith)(Smith)控制。控制。4 4非线性特性非线性特性 为了实现非线性为了实现非线性PIDPID控制或带死区的控制或带死区的PIDPID控制，设置了非线性区控制，设置了非线性区- -A A至至+A+A和非线性增益和非线性增益K K，非线性特性如下图。即，非线性特性如下图。即 当当K=0K=0时，那么为带死区的时，那么为带死区

10、的PIDPID控制；控制； 当当0 0K K1 1时，那么为非线性时，那么为非线性PIDPID控制；控制； 当当K=1K=1时，那么为正常的时，那么为正常的PIDPID控制。控制。 偏向处置数据区共存放一个输入补偿量偏向处置数据区共存放一个输入补偿量ICVICV，两个输出量，两个输出量DLADLA和和CDVCDV，两个形状量，两个形状量D DR R和和ICMICM，以及四个参数，以及四个参数DLDL、-A-A、+A+A和和K K。 自动手动切换数据区需求存放软手动控制量自动手动切换数据区需求存放软手动控制量SMVSMV，软，软开关开关SASASMSM形状，控制量上限限值形状，控制量上限限值(M

11、H)(MH)和下限限值和下限限值(ML)(ML)，控制量控制量MVMV，切换开关，切换开关HAHAHMHM形状，以及手动操作器输出形状，以及手动操作器输出VMVM。112121nnq)1 (logminmax21 xxn)11 (021Dlogn)1 (logminmax21uun执行机构的最大输入值为执行机构的最大输入值为umaxumax最小输入值为最小输入值为uminumin灵敏度为灵敏度为 1.1.测控系统软件的根本要求测控系统软件的根本要求1 1易了解、易维护易了解、易维护指软件系统容易阅读和了解，容易发现和纠正错误，容易修指软件系统容易阅读和了解，容易发现和纠正错误，容易修正和补充。

12、正和补充。2 2实时性实时性要求系统及时呼应外部事件的发生，并及时给出处置结果。要求系统及时呼应外部事件的发生，并及时给出处置结果。3 3可测试性可测试性两方面含义：其一是比较容易制定出测试准那么，并根据这些两方面含义：其一是比较容易制定出测试准那么，并根据这些准那么对软件进展测试；其二软件设计完成后，首先在模拟环准那么对软件进展测试；其二软件设计完成后，首先在模拟环境下运转，经过静态分析和动态仿真运转，证明正确无误后才境下运转，经过静态分析和动态仿真运转，证明正确无误后才可投入实践运转。可投入实践运转。4 4准确性准确性算法选择、位数选择等要符合要求。算法选择、位数选择等要符合要求。5 5可

13、靠性可靠性最重要的目的之一，两方面含义：第一是运转参数最重要的目的之一，两方面含义：第一是运转参数环境发生变化时，软件能可靠运转并给出准确结果，环境发生变化时，软件能可靠运转并给出准确结果，即软件应具有自顺应性；第二是工业环境极其恶劣，即软件应具有自顺应性；第二是工业环境极其恶劣，干扰严重，软件必需保证在严重干扰条件下也能可干扰严重，软件必需保证在严重干扰条件下也能可靠运转。靠运转。2.2.软件抗干扰研讨的主要内容软件抗干扰研讨的主要内容(1)(1)采用软件的方法抑制叠加在输入输出信号上噪声影响，采用软件的方法抑制叠加在输入输出信号上噪声影响，如模拟输入信号的数字滤波技术；如模拟输入信号的数字

14、滤波技术；(2)(2)由于干扰而使程序发生混乱，导致程序乱飞或堕入死循由于干扰而使程序发生混乱，导致程序乱飞或堕入死循环，采取使程序纳入正规的措施，如指令冗余、软件圈套、环，采取使程序纳入正规的措施，如指令冗余、软件圈套、“看门狗技术等；看门狗技术等；(3)(3)发现程序失控后，处理系统恢复正常运转的方法，如重发现程序失控后，处理系统恢复正常运转的方法，如重要信息的恢复，系统重入的条件等；要信息的恢复，系统重入的条件等；7.6.1 7.6.1 数字滤波技术数字滤波技术与模拟滤波器相比，有以下几个优点与模拟滤波器相比，有以下几个优点: :(1)(1)数字滤波是用程序实现的，不需求添加硬设备，所以

15、数字滤波是用程序实现的，不需求添加硬设备，所以可靠性高，稳定性好。可靠性高，稳定性好。(2)(2)数字滤波可以对频率很低数字滤波可以对频率很低( (如如0.01HZ)0.01HZ)的信号实现滤波，的信号实现滤波，抑制了模拟滤波器的缺陷。抑制了模拟滤波器的缺陷。主要数字滤波算法：算术平均值法、中位值滤波法、限幅滤主要数字滤波算法：算术平均值法、中位值滤波法、限幅滤波法、惯性滤波法波法、惯性滤波法 1.1.算术平均值法算术平均值法第术平均值法是对输入的第术平均值法是对输入的N个采样数据个采样数据xi(i=1N)，寻觅，寻觅这样一个这样一个y，使，使y与各采样值间的偏向的平方和为最小，使与各采样值间

16、的偏向的平方和为最小，使由一元函数求极值原理可得：由一元函数求极值原理可得：NiiE12)(minxyNiiN11xy例：某压力仪表采样数据如下：序 号采样值采样数据明显存在被干扰景象彩色数据。采用算术平均值滤波后，其采样值为：Y=(24+25+20+27+24+60+24+25+ 26+23)/10=28干扰被平均到采样值中去了 3 3、平均值滤波法普通适用于具有周期性干扰噪声的信号，、平均值滤波法普通适用于具有周期性干扰噪声的信号，但对偶尔出现的脉冲干扰信号，滤波效果尚不理想。但对偶尔出现的脉冲干扰信号，滤波效果尚不理想。 特点：特点：1 1、N N值决议了信号平滑度和灵敏度。随着值决议了

17、信号平滑度和灵敏度。随着N N的增大，平滑的增大，平滑度提高，灵敏度降低。应该视详细情况选择度提高，灵敏度降低。应该视详细情况选择N N，以便得到称，以便得到称心的滤波效果。心的滤波效果。2 2、对每次采样值给出一样的加权系数，即、对每次采样值给出一样的加权系数，即1/N1/N。在不同采。在不同采样时辰采集数据遭到同样注重。实践上某些场所需求添加新样时辰采集数据遭到同样注重。实践上某些场所需求添加新采样值在平均值中的比重，可采用加权平均值滤波法。滤波采样值在平均值中的比重，可采用加权平均值滤波法。滤波公式为：公式为：Y=R0Y0+ R1Y1+ R2Y2+ RmYmY=R0Y0+ R1Y1+ R

18、2Y2+ RmYm。特点特点:中位值滤波法对脉冲干扰信号等偶尔要素引发的干扰中位值滤波法对脉冲干扰信号等偶尔要素引发的干扰有良好的滤波效果。如对温度、液位等变化缓慢的被测参有良好的滤波效果。如对温度、液位等变化缓慢的被测参数采用此法会收到良好的滤波效果；对流量、速度等快速数采用此法会收到良好的滤波效果；对流量、速度等快速变化的参数普通不宜采用中位值滤波法变化的参数普通不宜采用中位值滤波法中位值滤波法和平均值滤波法结合起来运用，滤波效果中位值滤波法和平均值滤波法结合起来运用，滤波效果会更好。即在每个采样周期，先用中位值滤波法得到会更好。即在每个采样周期，先用中位值滤波法得到m个个滤波值，再对这滤

19、波值，再对这m个滤波值进展算术平均，得到可用的被个滤波值进展算术平均，得到可用的被测参数。也称为去脉冲干扰平均值滤波法测参数。也称为去脉冲干扰平均值滤波法. 例：某压力仪表采样数据如下：例：某压力仪表采样数据如下：序序 号号采样值采样值采样数据明显存在被干扰景象彩色数据。采样数据明显存在被干扰景象彩色数据。采用去脉冲干扰平均值滤波后，其采样值为：采用去脉冲干扰平均值滤波后，其采样值为：25对对1、2、3次采样中位值滤波后值：次采样中位值滤波后值：24对对4、5、6次采样中位值滤波后值：次采样中位值滤波后值：27对对7、8、9次采样中位值滤波后值：次采样中位值滤波后值：25sTsxsyf11)(

20、)()()() 1()(nxnyTnynyTsf) 1()()1 () 1()()(nynxnyTTTnxTTTnysffsfs1.1.开关量开关量( (数字量数字量) )信号输入抗干扰措施信号输入抗干扰措施 干扰信号多呈毛刺状，作用时间短，利用这一特点，我们干扰信号多呈毛刺状，作用时间短，利用这一特点，我们在采集某一开关量信号时，可多次反复采集，直到延续两次或在采集某一开关量信号时，可多次反复采集，直到延续两次或两次以上结果完全一致方为有效。两次以上结果完全一致方为有效。7.6.3 指令冗余技术指令冗余技术CPU受干扰后，往往将操作数当作操作码执行，呵斥程序混乱。受干扰后，往往将操作数当作操

21、作码执行，呵斥程序混乱。当程序弹飞到一单字节指令上时，便自动纳入正轨；当程序弹飞到一单字节指令上时，便自动纳入正轨；当程序弹飞到一双字节指令上时操作码、操作数，有当程序弹飞到一双字节指令上时操作码、操作数，有能够落到操作数上，从而继续出错；能够落到操作数上，从而继续出错；当程序弹飞到一三字节指令上时操作码、操作数、操当程序弹飞到一三字节指令上时操作码、操作数、操作数，因其有两个操作数，从而继续出错时机更大作数，因其有两个操作数，从而继续出错时机更大 。 应多采用单字节指令，并在关键地方人为插入一些单字应多采用单字节指令，并在关键地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令反复书写，提高弹飞程

22、序纳入节指令，或将有效单字节指令反复书写，提高弹飞程序纳入正轨的时机，这便是指令冗余。正轨的时机，这便是指令冗余。实现方法：实现方法：在一些对程序流向起决议作用的指令之前插入两条在一些对程序流向起决议作用的指令之前插入两条NOP指令，指令，以保证弹飞的程序迅速纳入正确的控制轨道。这些指令有：以保证弹飞的程序迅速纳入正确的控制轨道。这些指令有：RET、RETI、LCALL、LJMP、JZ/JNZ、JC/JNC、JB/JNB、JBC、CJNE、DJNZ等。等。如：利用减法比较两无符号数的大小程序数放如：利用减法比较两无符号数的大小程序数放A、B中：中：无指令冗余程序：无指令冗余程序：CLRCSUBB A,BJCBBIGBBIG:NOP.有指令冗余的情况：有指令冗余的情况：CLRCSUBB A,BNOPNOPJCBBIGBBIG:NOP.指令冗余缺陷：指令冗余缺陷：降低指令执行效率降低指令