计算机控制系统 第八章 计算机控制系统应用软件设计

1、第八章电脑控制系统应用软件设计，第一节概述第二节电脑控制系统的数据处理第三节数字滤波器，第一节概述，1，电脑控制系统软件配置，软件一般包括系统软件和应用软件两种。系统软件由开发人员提供，包括监视管理器、实时操作系统和各种语言的翻译程序，例如8031的汇编程序、C51、turbo C、Borland C、VB和VC语言的编译器等汇编程序和编译程序。系统软件不需要用户自行设计。用户只需了解应用程序，并使用一个工具进行编程和开发。应用节目软件面向生产过程控制，徐璐根据其他应用程序由用户自行编制。这些程序徐璐针对其他生产对象和控制要求，因此缺乏通用性，需要用户自行开发和编写。应用程序主要分为以下类别：

2、1控制算法节目控制算法程序主要实现控制规则的计算，产生控制量。常用的控制算法包括数字PID控制算法、竹林算法、Smith校正控制算法、最小位控制算法、串行控制算法、前馈控制算法、解耦控制算法、模糊控制算法和最优控制算法。2数据收集和处理程序数据收集程序包括用于确定是可靠输入数据还是错误数据的数据可靠性检查器、A/D转换和采样节目、用于过滤干扰导致的错误数据或不应使用的数据的数字滤波节目、用于补偿检测元件或发射器的非线性特性的线性化处理程序等。3实时时钟和中断处理程序实时时钟是电脑控制系统中所有时间相关控制过程执行的基础。电脑控制系统中的许多操作都是按系统时钟触发的，并按撤消控制的时间顺序进行调

3、度，而无需工作人员的直接干预。许多实时任务(如采样周期、预定显示器打印、预定数据处理等)必须使用实时时钟来完成，并且需要在预定中断服务程序中执行这些任务或处理动作状态标志等。此外，还实现了事故警报、断电检测和处理、重要事件处理等功能，经常使用中断技术，以便计算机能够及时处理事件。4数据管理程序主要用于生产管理，包括屏幕显示、变化趋势分析、报警唱片、统计报告打印输出等。其次，应用节目软件设计方法，1应用节目设计的几个茄子特征(1)应用与硬件配置密切相关的电脑控制系统的应用是针对特定的控制问题设计的。如果控制目标和控制要求不同，则硬件配置必须不同。(2)频繁的通信端口操作电脑控制系统进程通道的通信

4、端口和计算机的I/O端口总是经常工作。相应的软件设计必须保证与I/o通信端口的活动的实时性和可靠性。(3)实时需求控制工作复杂时，节目执行时间是控制系统应用软件设计中需要考虑的问题。需要特别注意采样周期、控制周期和中断持续时间是否能从实时角度满足要求。(4)要使用软件可靠性和抗干扰功能，产业现场的环境通常很复杂，干扰源很多，需要控制系统的高可靠性。因此，在电脑控制系统设计过程中，除了考虑防止硬件干扰外，还要考虑防止软件干扰。2应用节目软件设计的基本步骤(1)问题定义；(2)编程；(3)手动编程程序；(4)确认错误。(5)调试；(六)文件编制；(七)维护和重新设计；图8-1示出了应用节目软件设计

5、的流程图，该流程图说明了应用节目软件设计的基本任务和设计过程。，图8-1应用软件设计的流程图，3应用程序设计方法(1)模块化编程模块化节目设计的起点是将复杂的程序分解为多个功能模块。每个模块执行单个功能，具有单个入口单出口结构。独立设计、编程、错误确认和调试后最终组装。(2)结构化编程结构化节目设计采用自上而下设计方法和单入口单出口控制结构。在总体设计阶段，可以使用从上到下逐步细化的方法，将复杂问题的解法分解和具体化成由多个模块组成的软件系统。在详细的设计或编程阶段，可以使用自上而下的方法，将模块的功能逐步细分为一系列特定的处理阶段或高级语言。4应用节目设计(1)控制软件的设计包括电脑控制系统

6、的实时管理软件和过程监控和控制算法计算软件的大部分。实时管理软件是管理整个控制系统的程序，包括应用程序控制节目调度、I/o管理、中断管理、实时管理等，与整个电脑控制系统的主程序相对应。过程监控和控制算法计算软件主要是根据收集的信息、输入的指令和设计的控制算法开发的程序。主要包括数据转换处理程序、控制命令生成器、事故处理程序、信息管理节目等。典型电脑控制系统的控制软件流如图8-3所示。图8-3典型电脑控制系统的控制软件流程图，(2)控制软件设计中需要注意的一些茄子问题，想用符号表示地址、I/o设备、常数或数字参数。这样可以提高程序的可读性，并方便节目的修改和扩展。避免使用容易混淆的文字，尤其是与

7、助记符类似的文字。为了便于系统调试，如果节目模块太大，将渡边杏。尽可能创建与每个功能相对应的功能模块，以便在调试系统时将模块调试软件和硬件分开。节目模块尽可能通用，程序的可移植性强。重视节目的可读性，贴尽可能多的说明文字，这样的节目可读性强，同时给后续节目编排带来便利。二段式电脑控制系统中的数据处理、1、线性化处理、数据收集和处理系统中，通常希望系统的输出和输入具有简单的线性关系，并使用仪表检测和显示系统的物理量时，获得统一的尺度。不仅阅读清晰方便，仪表在整个范围内灵敏度一致。但是在实际工程中，计算机从模拟输入通道获得的场信号和该信号表示的测量物理量之间不一定存在线性关系，经常存在非线性关系。

8、为了使这些参数具有线性输出，必须引入以输出信号和测量的物理量之间的非线性补偿为线性关系的非线性补偿。这种校正过程称为线性化处理。1 .分段线性化设置传感器的输入/输出特性曲线如图8-4所示。如图所示，输入x和输出y之间存在非线性关系y=f (x)。输入值x已知后，通过简单的线性关系求出其y值，会产生很大的误差。为此，可根据需要将曲线分割成段，然后用直线连接两个相邻的点，如图所示。用连接的直线段替换曲线，可以找到与输入值x对应的输出值y。图8-4段线性插值(例如，(Xi，Xi 1)间隔内设置x时，其近似为表达式中的I段善意斜率。2 .实验测量线性化电脑实施阶段(1)输入输出的非线性关系曲线y=f

9、(x)。(2)分段测量的曲线，然后选择插值基点。分段方法取决于曲线的变化，因此选择的基点应该更合理。分段方法主要有等距离分段法和等距离分段法两种。(3)确定每个插值点的Xi、yi值和拟合两个相邻插值点之间直线段的倾斜ki，计算并将其作为数据表存储在程序中。(4)通过图表查找带有X的部分，删除该部分的斜率ki和基准点值Xi，yi。(5)根据内插公式y=yi ki(x-xi)计算x点的y值。第二，在尺度转换生产过程中，各种参数徐璐具有不同的尺寸和数值变化范围。例如，电压单位为V，电流单位为A，温度单位为Pa，依此类推。这些参数通过传感器和A/D转换，仅表示一个数值(表示参数大小)，可能不等于原始物

10、理尺寸所在的参数值，因此，为了显示或打印输出，必须转换为具有物理尺寸的数值。这种转换称为尺度转换。1线性参数的尺度转换是指参数值和A/D转换结果之间的线性关系，线性尺度转换是最常用的转换方法。转换公式为：2如果非线性参数的尺度转换传感器测量的数据与实际测量的参数之间不是线性关系，则相应的尺度转换公式必须根据具体问题进行具体分析。首先要求出它们之间相应的函数关系。如果这种函数关系可以用分析表达式表示，那么就可以直接求出相应的尺度转换公式来计算。例如，在流量测量中，差压变送器的信号P是实际流量G和平方根关系，即在表达式中，K是与流体的特性和节流装置的大小相关的尺度系数。第三，在电脑控制系统中，某些

11、参数的计算很复杂，电脑计算不仅是节目长度，而且很难计算，还需要很多时间。也有可以用一般算术运算计算的非线性参数，但是金志洙、代数、三角函数、积分、微分等运算都是用汇编语言编写的程序很复杂。为了解决这些问题，可以采用表法。查找表方法在电脑控制系统中应用很广。调查表法是将预先计算或测量的数据按一定的顺序编制成表。调查表程序的任务是根据被测试参数的值或中间结果找出最终需要的结果。核对表是执行数据校正、计算、转换等各种任务的非数值计算方法，具有避免复杂数学运算和不规则数学运算等优点。第一顺序表法顺序表法是无序排列表的一种茄子方法。就是从第一个项目开始逐项目查找，直到找到要查找的关键字。2计算查找表计算

12、查找表方法通常用于要搜索的内容与表数组相关的表。使用牙齿表法的关键在于找到计算表地址的公式。通过这样的公式调查表的话，表的时间与表的长度无关。三大分表法与分表法是实际应用中经常使用的方法。对于表比较长、从大到小或从小到大满足排序顺序，并且很难通过计算祖怀表方法找到的表，可以使用对祖怀表方法。(David ases，Northern Exposure(美国电视电视剧)，计算)从小到大的顺序，如果元素大于中间值，下一次比较中间值与最大值之间的中间值，否则比较最小值与中间值之间的中间值。第三数字滤波器，所谓数字滤波器，是通过特定的计算程序减少有用信号中干扰信号的比重。数字滤波器克服了模拟滤波器的不足

13、，与模拟滤波器相比具有以下几个茄子优势：(1)数字滤波器作为程序实现，不需要添加硬件设备，因此易于实现。多个输入通道可以同时共享一个过滤器。(2)数字滤波不需要硬件设备，因此稳定性高，稳定性好，电路间没有阻抗匹配等问题。(3)数字滤波器可以对低频率信号实施滤波器，但是模拟滤波器在低频段滤波器中很难获得好的滤波器效果。(4)通过重写数字滤波器，实现比改变模拟滤波器的硬件更方便的各种滤波方法或调整滤波器参数。首先，程序判断滤波器的方法是根据实际经验确定两个相邻采样信号之间可能发生的最大偏差。如果超过牙齿偏差值，则输入信号为干扰信号，必须将其删除。小于牙齿偏差值时，可以使用信号作为牙齿采样值。1限制

14、过滤器限制过滤器是减去两个相邻采样值，得出其增量(以绝对值表示)，然后与两个采样允许的最大差异(取决于控制对象的实际情况)Y进行比较。如果小于或等于y，则采用牙齿采样值。大于y的值将保留上次采样的值作为牙齿采样的值。采用Y (k)-Y (k-1)Y、Y (k)=Y (k)和牙齿采样值。Y (k)-Y (k-1)Y，Y (k)=Y (k-1)，获取上次采样的值。其中Y (k)是第k个采样值。Y (k-1)是(k-1)第二个子采样值。y是两个相邻采样值的可能最大偏差，其大小取决于采样周期t和y值的动态响应。2车速限制过滤器车速限制过滤器使用三次采样值确定采样结果。为此，请从Y (n)-Y (n-1

15、)Y重新采样以获取Y (n 1)，然后根据Y (n 1)-Y (n)和Y的大小关系确定牙齿采样值。具体的判别式如下：序列采样时间tn-1、tn、TN 1收集的参数分别为Y (n-1)、Y (n)和Y (n 1):Y(n)-Y(Y(n)-Y(n)-YY (n 1)-Y (n)Y时，获取Y (n 1)并将其输入计算机。Y (n 1)-Y (n)Y时，输入到计算机中：Y (n)=Y (n) Y (n 1)/2。限制过滤法主要用于更改温度、水位等相对较慢的参数。使用中的重要问题是最大误差范围Y的选择。y太大，各种干扰信号“趁机”增加系统误差。y太小会“拒绝”某些有用的信号，从而降低电脑采样效率。通常可

16、以根据经验数据获得，必要时可以从实验中获得。车速限制过滤器是同时考虑采样的实时性和采样值变化的连续性的折衷方案。但是牙齿方法有明显的缺点。第一点是Y的决定不灵活，需要根据现场的情况不断改变新的值。第二种情况是当无法响应采样点N3时，每个采样值受到干扰。因此，应用程序具有一些茄子限制。2，中值过滤连续N次采样测量的参数(一般N为奇数)，然后按大小顺序排列采样值，并将中间值用作此次采样值。中值滤波对消除偶然因素引起的波动或取样器不稳定引起的误差引起的脉动干扰很有效。如果变数变更缓慢，建议使用中值筛选，但不适用于快速变更的参数，例如流量。(David aser，Northern Exposure(美

17、国电视电视剧)，变量)，3，算术平均数过滤方法是在一个采样期间对信号X的N次测量的算术平均值作为时间K的输出。其中N是采样数，Xi是第I次采样值。n牙齿越高，平滑度越高，但敏感度越低，n的值就越取决于情况。一般流量信号为N=10，压力信号为N=5，温度、分量等变化缓慢的信号为N=2。算术平均法适用于具有随机干扰信号的典型滤波器。尤其适用于信号本身在特定数字范围附近上下波动的情况，例如流量、水平等信号测量。4，加权算术平均数滤波算术平均值对于N次内的所有采样值都相同。即，采用每个采样值的1/N。为了提高滤镜效果，有时会徐璐以不同的速率获取每个样本值，然后添加这些样本值。这称为加权平均方法，即，其中C0、C1、CN-1是每个采样值的系数，反映每个采样值在平均值中所占的百分比。在某些情况下，采样数通常越往后越大。，5，移动算术平均数过滤器必须连续采样N个数据