第4章 控制系统应用程序设计(数据处理)

第4章

控制系统应用程序设计

（数据处理）本章主要内容4.1数据结构4.2测量数据预处理技术4.1数据结构一、基本概念二、查表技术本节主要内容数据（Data）——描述客观事物的数字、字符，以及一切能够输入到计算机中的、并能被计算机程序处理的符号集合。简言之，数据就是计算机加工处理的“原料”。数据元素（DataElement）——数据的基本单元，即在数据集合中的客体，数据元素也称为数据结点数据对象（DataObject）——具有相同特性数据元素的集合，它是数据集合中的子集。一、数据结构的基本概念1.线性表2.堆栈3.队列队列是先进先出表。表中元素以的顺序进入，以相同的顺序出去。是一种特殊结构的线性表，限定在表的一端进行插入或删除。4.数组数组是下标（Index）与值（Value）组成的数偶的有序集合。对二维数组逻辑上可以作如下定义：数据结构B=（K，R），其中K是m×n个元素集合：

K={Kij│1≤i≤m，1≤j≤n}而R由两种关系组成的集合，其分别为：行关系：ROW={（Ki,j，Ki,j+1）│1≤i≤m，1≤j≤n}列关系：COL={（Ki,j，Ki+1,j）│1≤i≤m，1≤j≤n}5.链式存储结构图1

链表示意图链表由若干个结点组成，每个结点有两个域：一个是数据域，用来存放数据元素；另一个是指针域，用来存放下一个结点的数据域首地址。6.树树是由一个或多个结点组成的有限集合，它满足以下两个条件：①有一个特定的结点，称为根结点；②其余的结点分成个互不相交的有限集合。称为根结点的子树。二、查表技术

在控制系统中有些参数的计算是非常复杂的，用公式计算不仅程序长，难于计算，而且需要耗费大量时间。还有一些非线性参数，它们不是用一般算术运算就可以计算出来的，而是要涉及指数，对数、三角函数以及积分、微分等运算。所有这些运算用汇编语言/C语音室编写程序都比较复杂，有些参数甚至无法建立相应的数学模型。为了解决这些问题可以采用查表法。所谓查表法就是把事先计算或测量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值或中间结果，查出最终所需要的数据。查表程序的繁简程度及查询时间的长短，除与表格的长短有关外，很重要的因素在于表格的排列方法。一般的讲，表格有两种排列方法:（1）无序表格，即表中的数是任意排列的；（2）有序表格，即表中的数是按一定的顺序排列的。主要有顺序查表法、计算查表法、对分搜索法等。1.顺序查表法

顺序查表法的步骤如下：（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。主要针对无序排列的表格，基本思想是：从表的一端开始，顺序扫描线性表，依次将扫描到的结点关键字和给定关键字相比较。若扫描到的两个关键字相等，则查找成功，否则失败。图2查表法程序流程图2.计算查表法

基本思想:在计算机数据处理系统中，一般使用的都是线性表。它是若干数据元素x1,x2,…,xn的集合，各数据元素在表中的排列方法及所占用的存储器单元个数都是一样的。因此，要搜索的内容与表格的排列有一定的关系。对于这种表格，为了提高速度，可以去掉从头到尾的逐一进行比较的办法，只要根据所给元素xi，通过一定的计算，求出元素所对应的数值地址，然后将该地址单元的内容取出即可。计算查表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。下面以实例介绍计算查表法的程序设计。设计一巡回检测报警装置，要求能对16个通道输入值进行比较，当某一通道输入值超过该路的报警值时，发出报警信号。通道值和报警值的存放地址之间的关系可用下面的公式表示：报警值存放地址=数据表格起始地址+通道值×22.二分查找（折半查找）二分查找是一种效率较高的查找方法。它要求线性表是有序表，即表中结点按关键字排序，且以数组作为表的存储结构。设查找表中的元素存储在一维数组中，将待查的key值与表R中间位置（下标为mid）的记录的关键字进行比较，若相等，则查找成功；，则说明待查记录只可能在后半个子表，则相反。二分查找特别适用于那种一经建立就很少改动而又经常需要查找的线性表。图3对分查表法的程序流程图例1设8个关键字的排列顺序为1113252739414345并以符号L、H和M分别表示查找段首、尾和中间关键字序号。设要查找关键字41，查找过程如下：第一次1113252739414345(L=1)(M=4)(H=8)第二次1113252739414345(L=5)(M=6)(H=8)经过两次比较就找到关键字41。4.2测量数据预处理技术一、系统误差的自动校准二、量程转换和标度变换三、线性化处理四、越限报警处理本节主要内容和常规的模拟系统相比，计算机数据处理系统具有如下优点：（1）可用各种程序代替硬件电路，甚至完全不需要硬件。从而大大降低系统成本。（2）能够自动修正各种误差，提高测量精度。（3）能够对被测参数进行复杂的计算和处理。（4）能够实现对传感器和测量装置的监控，提高系统的可靠性。（5）计算机数据处理系统不但精度高，而且稳定可靠。数据处理从一般意义上说应包括三方面内容：一是对传感器输出的信号进行放大、滤波、I/V转换等处理，通常称为信号调理；二是对采集到计算机中的信号数据进行进行一些处理，如进行系统误差校正、数字滤波，逻辑判断、标度变换等处理，通常称之为一次处理；三是对经过前两步得到的测量数据进行分析，寻找规律，判断事物性质，生成所需要的控制信号，此称为二次处理。信号调理都是由硬件完成，而一次和二次处理一般由软件实现。通常所说的数据处理多指上述的一次处理。一次处理的主要任务是提高检测数据的可靠性，并使数据格式化、标准化，以便运算、显示、打印或记录。

数据处理的含义1.直流零位的校正方法:先测量短路时的零位电压x0，并将测得的数据存储起来。正常测量时，从每次测量结果x中减去零位电压x0，即可得到零位校正后的测量结果。2.零点漂移的自动校正

方法：输入部分采用了一个多路开关，在开机时，或每隔一定的时间，系统进行一次自动校正。一、系统误差的自动校准计算公式：

图4零点漂移自动校正电路

在微型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，如测温元件用热电偶或热电阻，温度单位为℃，且热电偶输出的热电势信号也各不相同，如铂铑—铂热电偶在16000C时，其电势为16．677mV，而镍铬—镍铬热电偶在12000C时，其热电势为48．87mV。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电压信号，又由A/D转换成00～FFH（8位）的数字量。为进一步进行显示、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（工程量），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。另一方面，如果传感器和显示器的分辨率一定，而仪表的测量范围很宽时，为了提高测量精确度，智能化测量仪表应能量程自动转换。二、量程转换和标度变换1.量程自动转换

由于传感器所提供的信号变化范围很宽（从微伏到伏），特别是多回路检测系统中，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，为了放大不同的信号，往往使用不同放大倍数的放大器。而在电动单位组合仪表中，常常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。

但是，这种变送器造价比较贵，系统也比较复杂。随着微型机的应用，为了减少硬件设备，现在已经研制出一种可编程增益放大器(ProgrammableGainAmplifier)，简称PGA。

PGA是一种通用性很强的放大器，其放大倍数可根据需要用程序进行控制。采用这种放大器，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，因而大大提高测量精度。这就是所谓的量程自动转换。可编程增益放大器有两种：—种是由其他放大器外加一些控制电路组成，称为组合型PGA；另—种是专门设计的PGA电路，即集成PGA。2.线性参数标度变换线性标度变换的前提条件是被测参数值与A/D转换结果之间呈线性关系。线性标度变换公式如下式中A0、Am——一次测量仪表的下限值、上限值；Ax——实际测量值（工程量）；N0、Nm——仪表下限、上限所对应的数字量；Nx——测量值所对应的数字量。3.非线性参数标度变换过程参数信号与该信号所代表的物理量不成线性关系，则标度变换应根据具体情况具体分析。差压变送器测量流量为例，由于差压与流量的平方成正比，故有式中Q——流量；

K——比例系数；

ΔP——节流装置的压差。得测量流量的标度变换公式为

式中Q0、Qm——流量仪表的下限值、上限值；

Qx——差压变送器所测得的差压值；

N0、Nm——差压变送器上限值、下限值所对应的数字量；

Nx——差压变送器所测得的差压值对于的数字量。

查表法是一种较精确的非线性处理方法。设有非线性关系的两个参数A和B，现要根据参数A取参数B的数值。

1.查表法

通常有查表法、拟合函数法、折线近似与插值法。造表

根据需要确定参数A的起始值A0和等差变化值N，有确定一块连续存储区，设其地址为AD0、AD1、…、ADn，采用按顺序递增或递减的关系，即ADi＋1＝ADi×M，M是参数B在计算机中存储值的字节数。

三、线性化处理查表

设有待查参数Am，由i＝（Am－A0）/N，有从存储地址Ti处连续取M个字节数据，即为对应参数Am的Bm值。 查表法的优点是迅速准确，但如果参数变化范围较大或变化剧烈时，要求参数Ai的数量将会很大，表会变得很大，表的生成和维护将变得困难2.拟合函数法

各种热电偶的温度与热电势的关系都可以用高次多项式描述。式中T——温度；

E——热电偶的测量热电势；

a0、a1、…、an——系数。

实际应用时，方程所取项数和系数取决于热电偶的类型和测量范围。以n＝4为例，对高次多项式可做如下处理：3.折线近似与线性插值法

热电偶T—E关系曲线以温度——热电势函数曲线为例。右图是某热电偶温度（T）与热电势（E）的关系曲线。折线近似法的原理是，将该曲线按一定要求分成若干段，然后把相邻分段点用折线连接起来，用直线方程来表示。四、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，如果超越了规定的数值，就需要通知操作人员，以采取相应的措施，以确保生产的安全。它分为上限报警、下限报警及上下限报警。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