WX05_微型计算机控制技术_第五章.ppt

1、第5章一般采用应用程序设计，基于51单片机，主要介绍结构化汇编语言的监控编程思想和实时测控系统中最常用的数字过滤技术、尺度转换、插值算法和报警程序设计等，使用程序和程序设计的概念计算机解决特定问题或完成特定功能，首先分析问题或特定功能，确定形成的算法和步骤，然后选择相应的命令，构建解决特定问题或实现特定功能的程序。通常，这种编程操作称为编程。典型的编程语言包括汇编语言、c语言等。5.1软件编程思想，编程基本概念程序=算法数据结构编程方法语言工具和环境算法是灵魂，数据结构是处理对象，语言是工具，编程必须采用适当的方法。编程的基本步骤：(1)问题分析。明确问题要求，对问题有正确的理解。(2)算法设

2、计。设计针对问题执行适当功能的算法，使计算机存储容量尽可能快，且保持较小。(3)程序结构设计。模块化方法，由上而下逐步细化方法设计。(4)编写源程序。(5)建立可行的目标方案；(6)程序调试和修改。(7)有关准备程序的文件。5.2数字滤波技术，数字滤波通过特定计算程序对测量信号(采样数据)进行平滑处理，以改善有用信号，消除或减少各种干扰和噪音，从而确保计算机控制系统的可靠性。与、和模拟滤镜相比，数字滤镜的优点如下：(1)在程序进入数据处理和控制算法之前，无需添加硬件设备，只需再添加一个数字滤波器。(2)数字滤波器不需要添加硬件设备，在每个电路之间没有阻抗匹配问题，因此系统可靠性高。(3)数字滤

3、波器可实现多通道共享，从而降低了成本，对于模拟滤波器，通常专用于每个通道。(4)可以过滤频率极低的信号，而模拟滤波器由于电容容量的限制，频率不能太低。(5)可以根据需要选择其他过滤方法或更改过滤器的参数，从而实现灵活方便的使用。主要主要主要主要主要内容：方法的优缺点使用案例，典型数字滤波器，5.2.1中央滤波5.2.2.2程序对滤波器5.2.3平均滤波5.2.4第一次延迟滤波器，5.2.1中央滤波，根据中央滤波的设计思路对参数进行N次连续采样中值滤波的特点该方法对消除偶然因素引起的波动或取样器不稳定性引起的脉冲干扰更有效。如果变量变化较慢，则建议使用中值过滤，但不适用于快速变化的参数。、5.2

4、程序判断过滤器、程序判断过滤器设计思想根据生产经验确定两个相邻采样信号之间可能发生的最大偏差y。如果信号采样值和上次采样值的偏差超过此偏差值，则输入信号是干扰信号，应将其删除。如果小于此偏差，则可以使用此信号作为此样例值。程序判断过滤器的分类程序判断过滤器可以根据过滤方法分为限制过滤器和速度限制过滤器两种。限制过滤器限制过滤器减去两个相邻的采样值以获取增量(显示为绝对值)，然后根据控制目标的实际情况与两个采样允许的最大delta y进行比较。小于或等于y不会受到干扰，使用此样例值作为系统样例值。大于y的值会干扰输入信号，并使用最后一个样例值作为此样例值。如果|y(k)y(k1)| y，则使用y

5、(k)作为此样例值。如果|y(k)y(k1)| y，则选择y(k-1)作为此样例值。Y(k)是第k个采样值。Y(k-1)是第一个(k-1)采样值。y是两个相邻样例值允许的最大偏差。、限制滤镜的使用和使用注意事项：限制滤镜主要用于变化较慢的参数，如温度。使用时的主要问题是最大容差y的选择，如果y太大，各种干扰信号会因“登机中”而增加系统错误；y太小可能会“拒绝”某些有用的信号，从而降低计算机采样效率。因此，门限值y的选择非常重要。速度限制过滤与限制过滤器不同，|y(2)y(1)| y不使用y(1)作为此样例值，而是重新采样以获得y(3)，然后根据| y(3)y(2)| y的大小关系确定此样例值。

6、具体解释如下：按以下顺序收集的参数为y(1)、y(2)、y(3)、y(2)y(1)| y:y(2)。|y(2)y(1)| y表示不使用y(2)，并将继续获取y (3)的样例。对于|y(3)y(2)| y，请选择y(3)。对于|y(3)y(2)| y，请选择|y(3) y(2)|/2。速度限制过滤的使用和使用注意事项：速度限制过滤是一种折衷方法，不仅考虑采样的实时性，还考虑更改采样值的连续性。但是，这种方法也有明显的缺点。第一，y的决定缺乏灵活性，需要现场根据情况不断更换新值。其次，在采样点N3处，不反映每个采样值被干涉的情况。因此，其应用有一定的限制。在“在实际使用中”下，将y替换为| y (

7、1) y (2) | y (2) y (3) |/2，以在默认情况下保留速度限制过滤的特性，并增加运算，但提高灵活性。5.2.3平均过滤，1 .算术平均过滤2。加权平均过滤3。滑动平均滤波，5.2.3平均滤波，1 .算术平均滤波，求y和每个采样值Xk之间的误差的平方和e最小。根据极端原理：算术平均法过滤了抑制干涉每次取样时间的取样值。虚线过滤器输出值(a)无干涉；(b)规则干涉；(c)存在脉冲干扰时，连续使用n个采样值进行算术平均运算。n值大：信号平滑度高，但灵敏度低。n值低时：信号平滑度低，但灵敏度高。选择n值：正常流，n=12压力：N=4。算术平均滤波器主要用于软化压力、流量等周期脉动的采

8、样值，但是脉冲干扰信号的平滑效果不好。，加权平均滤波、算术平均滤波和剔除平均滤波都存在平滑度和灵敏度矛盾。采样数太少会降低平滑效果，数量太多会降低灵敏度，对测量参数的变化趋势不敏感。要调整两者之间的关系，可以使用加权平均过滤。加权平均值过滤是以不同的权重系数为每个采样值增加新采样值的权重。常规采样值的数量越多，新采样值在平均值中所占的百分比就越大。该滤波方法可以根据需要强调信号的一个部分，从而抑制信号的另一部分。3 .滑动平均滤波，特征：有效采样值应为每次计算连续采样n次。滑动平均过滤在每个采样期间只采样一次，将此采样值与过去的多个采样值一起平均将成为当前有效的采样值。具体方法：可以使用循环队

9、列结构存储数据。例如，如果使用n个示例值查找滑动平均值，在RAM中打开n个数据分段区域，则每个新收集的数据都将存储在分段区域的队列中，队列中的第一个数据将被删除，从而始终在存储队列中保留n个最新数据。查找n个数据(包括新数据)的算术平均值或加权平均值。5.2.4一次滞后过滤不能轻松地制造大时间常数和高精度RC电路，因此硬件RC过滤器不能过滤极低频信号。一阶滞后滤波器兼具模拟RC滤波器的数字形式5.2.5复合滤波器、防止脉冲干扰的算术平均滤波算法(消除Xmax和Xmin):算术平均滤波：优点：中值滤波和算术平均滤波的优点。缺点：执行时间长。，5.2.6比较各种数字滤波器性能，1滤波器效果对于通常

10、温度等变化较慢的参数，选择性地确定滤波和一阶延迟滤波方法。对于波动快的脉冲参数(例如压力、流量等)，可以选择算术平均和加权平均滤波方法。对于要求高的系统，可以结合多种手段使用复合过滤方法。比较5.2.6的各种数字过滤性能，2过滤时间考虑过滤效果，应尽可能使用运行时间短的程序，如果计算机计算时间允许，则可以使用更好的复合过滤器。注：实际应用程序中使用的数字过滤取决于情况。同时使用几种过滤方法时，通常先使用中央或限制过滤器，然后使用平均过滤方法。数字过滤应用不当，不仅得不到过滤效果，而且控制质量也降低。5.3比例转换，5.3.1线性参数的比例转换必须转换为操作员熟悉的工程数量，即具有原始工程维的数

11、值，以便计算、显示或打印输出。此转换也称为比例转换，称为5.3比例转换，如果您要建立测试参数和A/D转换数值之间的线性关系，则比例转换公式为：如果与测试参数起始A0对应的A/D转换值为0(即N0=0)，则上述比例转换公式可能很简单，如下所示：非线性尺度转换应根据情况进行分析，通常使用查找表方法。例如，加热炉温度测量元件的范围为100500，系统的A/D转换器为8位。通过A/D转换器转换的数值为80H时，如果温度测量组件在特定时间点传输，则查找该时间点的温度值(温度测量组件的范围是线性的)。解法：根据型式(5-7)，=100，=500，=00H，=FFH=255，=80H=128，此时温度为，在

12、实际项目中，测量信号和测量的物理量之间经常存在非线性关系。温度测量中热电偶的输出与温度的关系是非线性的。在计算机控制系统中，必须通过数据处理程序将非线性关系更改为线性关系。对于可以用分析形式明确表示的非线性函数关系，可以通过高级语言程序完成线性化过程。或者，使用高级语言完成脱机计算，将结果存在于数据表中，并查询表以完成线性化过程。本节主要讨论线性化的线性插值原理。线性插值原理、传感器的输入和输出特性如下。非线性关系的曲线按照一定要求分割成线段，然后用直线连接相邻的线段点。使用直线而不是相应的曲线。如果与输入x对应的输出y，x位于x0，x1部分，则其近似为：如果类似于x Xi，Xi 1部分中可能

13、存在的近似，则该近似为，5.4.2二次抛物线插值算法。二次抛物线插值方法通过曲线上的三个已知点创建抛物线，并使用该抛物线代替该线段上的曲线。如图中所示，有y=f(x)、5.4.2二次抛物线插值算法用于近似抛物线。一般形式如下：y=k0 k1x2，表达式中的k0、k1和k2是待定系数，由曲线y=f(x)的三点a、b和c联立方程式得出。获取已知点A(x0，y0)、B(x1，y1)和C(x2，y2)的数值k0，k1，k2，然后根据测量值x按公式获取相应的y值。5.5表格、顺序表格方法、顺序表格方法是排序未排序表格的方法。因为无序格式的所有项目布局都没有一定的规律。因此，在找到要查找的关键字之前，只能

14、从第一个项目开始按顺序逐个项目地查找。编程中的已知条件应该是表的长度和表的起始地址，并在查找过程中不断地修改和计算地址，直到找到关键字为止。如果表中没有此关键字，则必须提供提示。，如果在控制系统中已经建立了表，其地址按一定的顺序，并且要查找的内容与表具有一定的关系，则通过简单的计算，可以找到所需的地址，并将结果从相应的内存单元中拉出。此方法是计算祖怀表方法。祖怀表计算、分区表方法，如果需要查找表的数据元素(假定升序排序)，则不必在祖怀时逐个进行比较。也就是说，与“中间”位置的数据元素相比，如果相同，搜索将成功。如果指定值大于“中间位置”的数据元素，二进制查找将在祖怀表的后半部分继续。否则，将在

15、前半部分执行二进制查询。5.6电机控制程序设计、5.6.1步进电机控制程序设计5.6.2直流电动机控制程序设计、5.7报警程序设计、报警处理程序一般应根据能够发送声光报警信号、记录或自动处理报警时间和报警参数的报警系统要求编写。不同的系统有不同的报警处理程序，但是报警程序的设计基本思想是相同的。警示程式主要包含下列步骤：(1)对测试的参数进行采样。(2)比较采样值和给定值的上下限值。(3)根据比较结果运行相应的处理程序。在控制系统中，警告参数可以是受控参数、测试参数、输入偏差或控制量等，需要判断的警告参数是XK，XK为当前数据，该参数的上限和下限约束值分别为XH和XL时的最大警告，如果为xxh，则为最大警告，否则将继续执行原始操作。上下报警，XK XH时上报警；否则，是否判断XK XL？如果是，警报下限；否则，继续原始操作。在设计特定警告程序时，为了防止测量值在阈值的某一点前后振动，从而产生频繁的警告，通常需要在阈值附近设置后台带，如图5-17所示。目的：避免不必要的警告行为。本章摘要，本章主要介绍了计算机控制系统中软件设计的概念和基本设计思路、常用数字过滤算法、尺度转换和