第5章应用程序设计.ppt

1、第5章 控制系统应用程序设计,5-1 工控机软件组成 5-2 控制环节的软件思路 5-3 控制环节程序范例 5-4 监控组态软件,本章主要内容,本章首先介绍软件设计基础和控制环节软件设计思路，然后给出了一些常用的控制环节程序范例，最后详细介绍用组态软件生成控制系统软件的具体方法,参考文献,1、微型计算机控制技术，潘新民编著，人民邮电出版社 2、PC总线工业控制系统精粹，凌澄主编 ，清华大学出版社 3、工业控制计算机实时操作系统，蔡德聪 4、数据采集与处理技术，马明建等编著，西安交通大学出版社 5、8098单片机原理与应用技术，方建淳编著，天津科学技术出版社,5-1 工控机软件组成5-1-1系统

2、软件,软件是工业控制机的程序系统，它可分为系统软件、工具软件、应用软件。 系统软件一般是由计算机厂家提供的，专门用来使用和管理计算机的程序。系统软件包括实时多任务操作系统、引导程序、调度执行程序,5-1 工控机软件组成5-1-1系统软件,实时操作系统 特点:是实时性强。它在任何时刻总是保证优先级最高的任务占用CPU。 通常实时操作系统具有以下特点： 1多作业环境 2任务的事件驱动 3.中断与中断优先级 4同步与异步 5资源与临界资源 6容错与安全,5-1 工控机软件组成5-1-1系统软件,Windows操作系统和windowsNT操作系统 Windows虽然具有多任务功能，但由于它的结构是为办

3、公室自动化而设计的，不具备实时性 Intel公司推出了iRMX for Windows操作系统 Quantum公司推出了QNX Windows操作系统，以及Intellution公司推出了FIX组态软件 BJ公司推出了RealFlexforWindows工业控制软件等。 保证应用系统的实时性，又充分利用了Windows的图形用户界面。,5-1 工控机软件组成5-1-1系统软件,嵌入式实时操作系统 嵌入式实时操作系统应具备以下特点： （1）响应快速而准确 （2）结构紧凑易于裁剪和配置 （3）开放性好，易于开发和嵌入,5-1 工控机软件组成5-1-2 开发工具软件,汇编软件 汇编语言为我们提供了直

4、接控制目标代码的手段，具有实时性能好，执行速度快和节省存储空间等明显优点，所以，汇编语言大量被用来编写计算机系统程序、实时通信程序、实时控制程序等。 高级语言 专用开发工具 微机开发系统，就是一种用来开发、调试、分析、维修微机及其产品的专用工具,5-1 工控机软件组成5-1-3 应用软件,程序设计过程 程序设计通常分为五个步骤，即问题定义、程序设计、编码、调试、改进和再设计.如图5-1 面向对象与面向过程程序设计思路 面向过程的程序设计思想的核心是功能的分解 工业控制组态软件 工业控制组态软件是标准化、规模化、商品化的通用过程控制软件,5-2 控制环节的软件思路5-2-1 数据结构及其应用,基

5、本术语 数据（data）它是计算机程序加工的“原料”。 数据元素（data element）是数据的基本单位，即数据这个集合中的一个个体（客体）。数据对象（data object）是具有相同特性数据元素的集合，是数据的一个子集。 数据结构（data structure）简单说来是带有结构的数据元素的集合。 数据结构是一个二元组 data-tructure（D，R） 其中，D是数据元素的集合，R是D上关系的集合。,5-2 控制环节的软件思路5-2-1 数据结构及其应用,数据结构类型 1顺序结构 2链形结构 3树形结构 数据查找技术 数据排序技术,5-2 控制环节的软件思路5-2-2 测量数据预处

6、理技术,系统误差的自动校准：图5.5,5.6 1. 全自动校准 2人工自动核准 线性化处理和非线性补偿 1、线性插值算法 2、插值法在温度测量中的应用 3、非线性补偿方法,5-2 控制环节的软件思路5-2-2 测量数据预处理技术,标度变换方法 1、线性变换公式 2、公式转换法 3其它标度变换法,5-2 控制环节的软件思路5-2-2 测量数据预处理技术,越限报警处理 1上限报警： 若xnxmax，则上限报警，否则继续执行原定操作。 2下限报警 若xnxmin，则下限报警，否则继续执行原定操作。 3上下限报警 若xnxmax，则上限报警，否则对下式做判别：xnxmin否？若是则下限报警，否则继续原

7、定操作。,5-2 控制环节的软件思路5-2-2 测量数据预处理技术,越限报警处理 1上限报警：若xnxmax，则上限报警，否则继续执行原定操作。 2下限报警：若xnxmin，则下限报警，否则继续执行原定操作。 3上下限报警：若xnxmax，则上限报警，否则对下式做判别：xnxmin否？若是则下限报警，否则继续原定操作。,5-2 控制环节的软件思路5-2-3 数字控制器的工程实现,数字控制器算法的工程实现，如图5.7所示。 PID数字控制器的工程实现 1、给定值和被控量处理 2、偏差处理 3、控制算法的实现 4、控制量处理 5、自动手动切换,图5.7数字控制器的实现结构,5-2 控制环节的软件思

8、路5-2-4 系统的有限字长数值问题,量化误差来源 计算机控制系统结构图5.8. 1量化误差 2量化误差来源 AD，DA及运算字长的选择 lAD转换器的字长选择 2DA转换器的字长选择 3运算的字长选择,5-2 控制环节的软件思路5-2-5 软件抗干扰技术,数字滤波技术 1、算术平均值法 2、中位值滤波法 3、限幅滤波法 4、惯性滤波法 开关量的软件抗干扰技术 1、开关量的软件抗干扰技术 2、开关量（数字量）信号输出抗干扰措施,5-2 控制环节的软件思路5-2-5 软件抗干扰技术,指令冗余技术 采用单字节指令，并在关键的地方人为地插入一些单字节指令（NOP）或将有效单字节指令重复书写，这便是指

9、令冗余。 软件陷阱技术 所谓软件陷阶，就是一条引导指令，强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。,5-2 控制环节的软件思路5-2-5 软件抗干扰技术,软件陷阱技术 软件陷阱安排在以下四种地方： （l）未使用的中断向量区。 （2）未使用的大片ROM空间。 （3）表格。 （4）程序区。,5-3 控制环节程序范例,标度变换程序 数字滤波程序 数字PID算法程序 串行通信程序,5-3 控制环节程序范例5-3-1 标度变换程序,线性标度变换:框图5.9 非线性参数标度变换 框图5.10,5-3 控制环节程序范例5-3-2 数字滤波程序,中值滤波 所谓中值滤波就是对

10、某一个被测参数连续采样n次，然后把n次的采样值从小到大排队，再取中间值作为本次采样值。 算术平均滤波 算术平均滤波是把n次采样值相加，然后取其算术平均值作为本次采样值。,5-3 控制环节程序范例5-3-3 数字PID算法程序,PID调节器的输出是输入的比例、积分、微分的函数。 增量式PID数字算法公式： u(k) = u(k) u(k-1) = K e(k) e(k-1) +Ke(k) + K e(k) 2e(k-1) + e(k-2) 增量式PID算法程序设计： 进一步改写成为： u(k) = Ae(k) Be(k-1) + Ce(k-2) 积分分离的PID算式及程序实例：,5-3 控制环节

11、程序范例5-3-4 串行通信程序,实现准备 A上位机如何同现场模块交换数据 B包格式定义 Windows下的串口通讯程序,5-4 监控组态软件5-4-1 概述,计算机监控系统CSCS(Computer Supervisory Control System)，它从总体上可分成两大部分： 一是现场分布式的数据I/O系统，也就是通常所说的下位机； 另一个是数据处理显示和管理系统，即上位机-人机界面系统HMI（Human Machine Interface）。 我国推出的功能完善的监控组态软件 如北京金佳诺的世纪星century star3.02 大庆的三维力控 北京昆仑的MCGS。,5-4 监控组态

12、软件5-4-2 组态软件的功能简介,1控制组态 2图形生成系统 3显示组态 4. I/O通道登记 5. 单位名称登记 6. 趋势曲线登记 7. 报警系统登记 8. 报表生成系统,5-4 监控组态软件5-4-3 世纪星组态软件简介,概述 世纪星组态软件还具有优秀软件的基本特点： 1、延续性和可扩充性， 2、封装性（易学易用） 3、通用性 基本结构 1、变量数据库概述 2、变量数据库中几个需注意的问题 3、画面制作、动画连接、命令语言 4、系统安全性,5-4 监控组态软件5-4-4 组态软件应用,系统简介 以隧道窑计算机温度检测系统为例： 基本要求： 1、隧道窑烧成段36个温度点的检测，测温范围01200。 2、窑控制室对温度数据的监测、显示、报警。 软