微控第7章20121031

1、1第七章 應用程序設計 數(shù)據(jù)處理程序 控制算法的程序設計本章要點本章要點2 微機控制系統(tǒng)中的軟件設計，包括選擇系統(tǒng)軟件及設計應用軟件。 前者主要選擇操作系統(tǒng)和算法語言， 后者是根據(jù)控制對象的要求編制應用程序。 若是有自己設計的單片機或是DSP系統(tǒng)，則不僅要編寫應用程序，而且要根據(jù)系統(tǒng)要求編制專用的監(jiān)控程序或系統(tǒng)程序。 對單片機而言，則大部分是監(jiān)控程序。3 所以，為控制，處理具體應用對象而編制的程序就叫應用程序。 在微機控制系統(tǒng)中，為使程序緊湊，更重要的，為實時性強，常采用匯編語言編寫。應用程序一般包括應用程序一般包括5部分：部分：1.數(shù)據(jù)處理程序： 對計算機的輸入輸出數(shù)據(jù)進行處理或變換，如數(shù)字

2、濾波，線性化處理及工程量轉(zhuǎn)換等。42.過程監(jiān)視程序： 為監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程，必須有相應的硬件與之配合，比如開關狀態(tài)的檢測及控制操作臺，顯示器等。應有巡回檢測程序及控制操作臺服務程序等，以及時反映現(xiàn)場情況和進行人機交互。3.控制算法程序： 是為計算機能夠按某種檢測規(guī)律實現(xiàn)控制而編制的程序，如最優(yōu)控制，PID控制，比值，前饋等。最常用的如PID控制。54.故障自診斷程序： 即通過一定的軟件去檢查控制系統(tǒng)中的相關部件運轉(zhuǎn)是否正常。已有各相關部件較成熟的自檢程序，可供參考或借鑒。5.通用子程序： 如制表打印格式程序，服務子程序庫等。 由于時間關系，重點介紹數(shù)據(jù)處理程序和控制算法程序。67.1 數(shù)據(jù)處理

3、程序數(shù)據(jù)處理程序7濾波：濾波： 是將信號頻譜中某些成分衰減或濾除。（濾除可用硬件如RC濾波器，也可用軟件如數(shù)字濾波） 高次諧波對電機產(chǎn)生有害影響。脈沖，鐵損發(fā)熱增加8數(shù)字濾波： 實質(zhì)是程序濾波。通過一定的計算方法，減少干擾在有用信號中的比重，使得輸入計算機待處理的信號量可能是我們所要求的信號。 程序限幅濾波 平均值濾波 中值濾波 一階慣性濾波 復合數(shù)字濾波9v無需硬設備，各通道可公用，降低成本。v各回路間不存在阻抗匹配等問題。故可靠性高，穩(wěn)定性好。v對頻率很低（如0.01HZ以下）的信號也可濾波，克服了模擬濾波器的缺陷。v改變?yōu)V波方法式濾波器參數(shù)只需修改程序，方便，靈活。數(shù)字濾波的優(yōu)點：數(shù)字濾

4、波的優(yōu)點：101.1.程序限幅濾波程序限幅濾波 經(jīng)驗說明，許多物理量的變化都需要一定的時間，相鄰兩次采樣值之間的變化有一定的限度。 當采樣信號由于隨機干擾，如大功率用電設備的啟動或停止，造成電流的尖峰干擾或錯誤檢測，以及變送器不穩(wěn)定而引起的嚴重失真等現(xiàn)象時，可采用程序判斷法進行濾波。程序判斷濾波根據(jù)濾波方法的不同，可分為限幅濾波和限速濾波兩種。11限幅濾波限速濾波 設順序采樣時刻t1，t2，t3所采集的參數(shù)分別為Y(1)，Y(2)，Y(3)，那么 顯然，這類方法對濾除隨機干擾特別有效，程序也很簡單。122. 平均值濾波平均值濾波 平均值濾波主要對壓力，流量等周期脈動的采樣值進行平滑加工，但對脈

5、沖性干擾的平滑不理想，它不適用于脈沖干擾比較嚴重的場合。算術平均值濾波加權平均值濾波法1311( )( )niY kX in（1）算術平均值濾波）算術平均值濾波公式為： 可見，其實質(zhì)實質(zhì)是：把n個采樣值相加，求其平均值，作為時刻k的值。顯然n越大，結果越準確，但計算時間越長。 算術平均值濾波是要尋找一個Y(k)，使該值與各采樣值間誤差的平方和為最小，14 算術平均值濾波主要用于對壓力、流量等周期脈動參數(shù)的采樣值進行平滑加工，但對脈沖性干擾的平滑作用尚不理想。因而它不適用于脈沖性干擾比較嚴重的場合。采樣次數(shù)N的選取，取決于系統(tǒng)對于參數(shù)平滑度和靈敏度的要求。隨著N值的增大，平滑度將提高，靈敏度將降

6、低。 所以要根據(jù)具體情況選取n，以便取得滿意的濾波效果。15 算術平均濾波對每次采樣給出了相同的加權系數(shù)1/n。 實際應用場合需要加大新采樣值在平均值中的比重， 為此可采用： 加權平均值濾波法l 流量信號，取n=10l 壓力信號，取n=5l 溫度等緩慢變化信號，取 n=216（2）加權平均值濾波法 運算關系式為： 1( )( )niiY kC X i Ci為加權系數(shù)應滿足： 1) Ci =1 2) CnCn-1 C2 C1 因為加權系數(shù)常為小數(shù)，因此采用浮點運算更為合適。17 上述兩種濾波程序，為確定一個采樣值，需采集n個數(shù)，需要時間長，使得檢測時間減慢，所以只能用在信號變化比較緩慢的場合。為

7、了提高檢測速度，可采用: 遞推平均濾波或叫數(shù)據(jù)滑動平均濾波基本思想： 每采樣一個新值，即舍棄一個最早的采樣值，然后求平均值，作為本次的采樣。 平均值濾波對周期脈動的干擾有較明確的抑制，但對偶爾出現(xiàn)的脈動干擾信號，濾波效果不理想，應采用中值濾波183.3.中值濾波中值濾波 對被測參數(shù)采樣n次（n3 ）,再按大小順序排列，再取中間值作為本次采樣值。 此法對防止脈沖干擾比較有效。 對緩慢變化的過程變量采用此法有良好的效果，快速變化時要求采樣點至少3，所以不適合用去除脈動性干擾。19程序：n=3為例204.一階慣性濾波一階慣性濾波 前面幾種濾波方法基本上屬于靜態(tài)濾波，主要適用于變化比較慢的參數(shù)，但對于

8、快速隨機變化的參數(shù)，要用動態(tài)濾波方法，如：一階慣性濾波。數(shù)學表達式：fTTT( )(1)(1)( )Y kY kX k21 一階慣性濾波的基本意圖是把本次采樣值與上次濾波器平均值進行加權平均，因此在轉(zhuǎn)入的過程中，任何快速的干擾均被濾除，僅保留緩慢變化的信號，為此稱之為“低通濾波”。 T為采樣周期，一般事先確定好，Tf=RC為數(shù)字濾波器時間常數(shù)，通過實際運算可取最優(yōu)值。 方法：不斷改變Tf，噪聲最低或消除，即為該系統(tǒng)的Tf值。 缺點：造成相位滯后，大小與濾波系數(shù)有關。225.復合數(shù)字濾波 為了進一步提高濾波效果，有時可以把兩種或兩種以上不同濾波功能的數(shù)字濾波器組合起來，構成復合數(shù)字濾波器，或稱多

9、級數(shù)字濾波器。例如：中值均值可由下式表示：12(2)(3)(1)1( )( )22NiXXX NY kX iNN=若則(1)(2)(3)(), 314XXXX NN上式也稱為防脈沖干擾的平均值濾波。 此外，也可采用雙重濾波的方法，即把采樣值經(jīng)過低通濾波后，再經(jīng)過一次高通濾波，這樣，結果更接近理想值，這實際上相當于多級RC濾波。23各種濾波性能的比較各種濾波性能的比較1. 濾波效果濾波效果 一般來說，對于變化比較慢的參數(shù)，如溫度，可選用程序判斷濾波及一階滯后濾波方法。對那些變化比較快的脈沖參數(shù)，如壓力，流量等，則可選擇算術平均和加權平均濾波法，特別是加權平均濾波法。至于要求比較高的系統(tǒng)，需要用復

10、合濾波法。24 在算術平均濾波和加權平均濾波中，其濾波效果與所選擇的采樣次數(shù)N有關。N越大，則濾波效果越好，但花費的時間也越長。高通及低通濾波程序是比較特殊的濾波程序，使用時一定要根據(jù)其特點選用。2. 濾波時間濾波時間 在考慮濾波效果的前提下，應盡量采用執(zhí)行時間比較短的程序，若計算機計算時間允許，可采用效果更好的復合濾波程序。25注意： 數(shù)字濾波在熱工和化工過程的DDC系統(tǒng)中并非一定需要，需根據(jù)具體情況，經(jīng)過分析，實驗加以選用。不適當?shù)膽脭?shù)字濾波（例如，可能將待控制的偏差值濾掉），反而會降低控制效果，甚至失控，因此必須給與注意。26線性化處理程序線性化處理程序 在工程實踐中，把物理量轉(zhuǎn)化為電

11、信號的傳感器，大多帶有一定的非線性特征，不便于計算機處理。 有的很難找出明確的數(shù)學表達式，需根據(jù)測量值采取一些特殊的方法進行處理，還有一些參數(shù)，相互之間雖然有明確的數(shù)學表達式，但計算起來相當麻煩，會占用較多的時間。 因此，找出某種既方便又能滿足實際功能要求的數(shù)據(jù)處理辦法就是本節(jié)要解決的問題。271. 計算法 如果被測參數(shù)和轉(zhuǎn)換的電信號之間有明確的數(shù)學表達式，且該表達式又便于計算，就應發(fā)揮微機計算機較強的優(yōu)勢，將其表達式轉(zhuǎn)換為線性關系，再行計算。2. 查表法 所謂查表法，就是把事先計算或測得的數(shù)據(jù)按一定的順序編制成表格，查表程序的任務就是根據(jù)被測參數(shù)的值或者中間結果，查出最終所需要的結果。28

12、微機中表格表格的排列分為有序表和無序表兩種。有序表指在表內(nèi)存放的數(shù)有一定的規(guī)律（或按大小順序；或按某種規(guī)律），無序表指數(shù)據(jù)的存放是隨意的（或某種函數(shù)是無序的）。 根據(jù)表格的編排方法，查表的方法有3種：順序查表法計算查表法對分查表法29a.順序查表法順序查表法 順序查表法用于無序表格的查找。因為無序表中各項數(shù)據(jù)和排列無一定的規(guī)律可尋。當需要找某一個數(shù)（常被稱為關鍵字），只能從表的第一項開始，逐項比較，直至找到關鍵字。在程序設計時，已知條件是表格的長度和起始地址。在查找的過程中要不斷地修改地址和進行計數(shù)。直至找到關鍵字。若表中無此關鍵字必須給出提示。30b.計算查表法計算查表法 微機控制系統(tǒng)中使用

13、的線性表，是若干個數(shù)據(jù)元素的集合，各數(shù)據(jù)元素在表格中的排列方法及所占用的存儲單元個數(shù)是一樣的。因為要搜索的內(nèi)容和表格的排列方法有一定的關系，故各元素都嚴格地按某種順序排列。在此前提條件下才可以使用計算查表法。31計算查表法的思路是： 根據(jù)給定的要查找的元素，通過一定的計算，求出該元素所對應的數(shù)值的地址。從而可從相應單元中取出所需要的量。計算查表法執(zhí)行速度是很快的，使用這種查表法的關鍵是尋找一種計算表地址的公式，其缺點是對表格的要求非常挑剔。32 對分查表法的具體做法是：對于一個字節(jié)長度為n的線性表（設該表從小到大排列），先取n/2處的值與待搜索的關鍵字x進行比較，如果x大于n/2項的內(nèi)容，下一

14、次取n/2n的中間值，即與 項的內(nèi)容進行比較。否則取0 n/2項的中間值，即與 項的內(nèi)容進行比較。依次類推，可以逐次逼近待搜索的關鍵值所在位置，直至找到。若搜索完畢而未找到需給出提示。3n43n4c.對分查表法對分查表法33 如果在應用中一些數(shù)據(jù)或函數(shù)能夠滿足從大到小或從小到大的順序排列，在這種情況下可使用對分查表法。 顯然對分查表其速度是很快的，它最多的查找次數(shù)為lg2n-1。例如，若查長為2068字節(jié)，對分查表最多只需要10次，而若采用順序查表法，其平均查找次數(shù)1024次。343. 折線法折線法 在微機控制系統(tǒng)中，有些參數(shù)輸入和輸出的關系只能通過一條曲線來表示，沒有一個明確的表達式或一個有

15、序表格。此種場合，只能夠采用局部線性化對其進行處理。 折線法實際上是線性插值的算法。這種計算程序的復雜程度和執(zhí)行時間與折線的分段方程有關。 35 若采用等距分段，可簡化計算過程，但當函數(shù)的曲率和斜率變化較大時，引入誤差較大。這可以通過細分，使之減小，但占用較多的內(nèi)存，而且計算量也大。若采用不等距分段，可根據(jù)函數(shù)曲率變化使分段直線 盡量接近該段曲線，使誤差減小，但程序編制卻比較麻煩。因此，如何分段視具體情況而定。36標度變換程序設計標度變換程序設計 生產(chǎn)過程中各個參數(shù)都有不同的量綱和數(shù)值。在計算機控制系統(tǒng)中所有這些物理參數(shù)經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換成A/D轉(zhuǎn)換器能接收的電信號，又經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成一系列的數(shù)碼。

16、為了操作人員管理及生產(chǎn)過程的需要，必須把這些數(shù)碼轉(zhuǎn)換成各種工程量單位，使之便于顯示，記錄和打印。這種轉(zhuǎn)換被稱為標度變換或工程量轉(zhuǎn)換。 工程量轉(zhuǎn)換有各種不同類型，它取決于被測參數(shù)和測量傳感器的類型，要根據(jù)實際情況進行設計。371. 線性參數(shù)的標度變換 線性標度變換時最常用的標度變換方式，其前提條件是被測參數(shù)值與A/D轉(zhuǎn)換結果為線性關系。線性標度變換的公式為：00000mx0 x()xxmmmNNAAAANNAAANNN式中 為一次測量儀表的下限； 為一次測量儀表的上限； 為實際測量值（工程量）； 為儀表下限所對應的數(shù)字量； 為儀表上限所對應的數(shù)字量； 為測量值所對應的數(shù)字量。 38 上式為線性標

17、度變換的通用公式，其中Am、A0、Nm、N0對某一固定的被測參數(shù)來說都是常數(shù)，不同的參數(shù)有著不同的值。為了使程序設計簡單，一般把一次測量儀表的下限所A0所對應的A/D轉(zhuǎn)換值置為0，即使N0=0。這樣，式可寫成：00mx()xmNAAAAN 在很多測量系統(tǒng)中，儀表下限值A0=0,此時，其對應的N0=0，上式可進一步簡化為：xxmmNAAN392. 非線性參數(shù)的標度變換 上述標度變換公式僅適用于線性參數(shù)。對非線性參數(shù)的標度變換要具體問題具體分析，根據(jù)非線性關系求出相應的標度變換公式。流體的流量與被測流體流過節(jié)流裝置前后產(chǎn)生的壓力差的平方根成正比，于是得到測量流量時的標度變換公式為：40 對于流量儀

18、表，一般下限為0，即Q0=0，故上式可簡化為：0000 xm0m0()xxmmxNNQQQQNNQQQNNN式中為被測液體的流量值； 為流量儀表的上限值； 為流量儀表的下限值； 為差壓變送器所測得的差壓值（數(shù)字量）； 為差壓變送器上限所對應的數(shù)字量； 為差壓變送器下限所對應的數(shù)字量。x0 x0mmNNQQNN41 若在進行轉(zhuǎn)換時，Q0所對應的數(shù)字量N0亦為0，則可進一步步簡化為：xxmmNQQN 對于那些不能用運算式表達的物理量（即非線性的傳感設備），應根據(jù)其轉(zhuǎn)換關系，用插值法或查表法進行標度變換。 總之，標度變換與傳感設備的性質(zhì)有關，不總之，標度變換與傳感設備的性質(zhì)有關，不能簡單地照搬公式。

19、能簡單地照搬公式。427.2 控制算法的程序設計控制算法的程序設計43 在微機控制系統(tǒng)分類中曾經(jīng)講過直接數(shù)字控制系統(tǒng)（Direct Digital Control）即DDC系統(tǒng)，這是工業(yè)生產(chǎn)中最常用的實時控制系統(tǒng)之一，而DDC系統(tǒng)的基本問題是設計一個數(shù)字調(diào)節(jié)器： 即按照實際系統(tǒng)確定控制規(guī)律，得出控制算法，編程實現(xiàn)這一算法。 而按照偏差進行比例(P)，積分(I)，微分(D)調(diào)節(jié)的PID算法則是應用最廣泛的一種控制算法，本節(jié)主要討論PID算法的數(shù)字實現(xiàn)。44準連續(xù)準連續(xù)PID控制算法控制算法 實際上，對一個過程參數(shù)（連續(xù)變化量）而言，計算機是斷續(xù)控制器。因為每一個采樣周期T，計算機采樣一次，算一次

20、，輸出一次，因為輸出結果被保持器保持，所以不管此T內(nèi)被控制量是否變化，控制輸出量始終不變。 所以，對控制作用來說，不是連續(xù)變化的。但是，當采樣周期相對于過程時間常數(shù)是相當短時，這種斷續(xù)變化的控制量就近似于連續(xù)變化的控制，我們稱之為 準連續(xù)控制準連續(xù)控制45 TTs時， 就可用數(shù)字調(diào)節(jié)器代替模擬調(diào)節(jié)器。 T和Ts可比擬時 經(jīng)用采樣控制理論設計數(shù)字調(diào)節(jié)器。 具體實現(xiàn)：按照連續(xù)系統(tǒng)控制理論設計模擬調(diào)節(jié)器，然后對該調(diào)節(jié)器進行數(shù)字模擬。即：（同一數(shù)量級，10倍或以下）“準連續(xù)控制準連續(xù)控制”的的條件條件是：是： T Umax e 0，不加，維持原狀 e 0，+e，增大 e 則 Kl=0 為e的門限值 則

21、稱式（則稱式（6）為）為積分分離積分分離PID算式。算式。63其基本思想是： 當偏差大于某個規(guī)定的門限值，刪除積分作用，以便e不至于過大。只有當ej較小時，方引入積分作用，以消除靜差。 這樣，控制量不易進入飽和區(qū)；即使進入了，也能較快退出。所以系統(tǒng)的輸出特性得到了改善。642. 不完全微分的不完全微分的PID算法算法 在標準PID（位置，增量）算法中，即當有階躍信號輸入時，微分項輸出急劇增加，容易引起調(diào)節(jié)過程的振蕩，導致調(diào)節(jié)品質(zhì)下降。為了克服這一點，又要使微分作用有效，可以采用不完全微分的PID算法。基本思想是： 仿照模擬調(diào)節(jié)器的實際微分調(diào)節(jié)器，加入慣性環(huán)節(jié)，以克服完全微分的缺點。 傳遞函數(shù)表

22、達式：( )11( )1dpdIdT Su skTe sT SSK65不完全微分的PID位置式算式為：1(1)0()()idDiPijPiiD ijiSTTUKeeKeeUTT(1)112(2)0()()idD iPijPiiD ijiSTTUKeeKeeUTT則(7)(8)其中：dsdTTTKddddTKTKT66 完全積分項對于階躍信號將產(chǎn)生很大的微分輸出信號，此信號急劇下降為0，因而引起系統(tǒng)的振蕩。 而在不完全微分系統(tǒng)中，其微分作用是逐漸下降的，微分輸出信號按指數(shù)規(guī)律逐漸衰減為0， 因而系統(tǒng)變化比較緩慢，不易引起振蕩，其中延續(xù)時間的長短與KD（微分增益）有關。112(1)(2)()(2)

23、()dPiiPiPiiiIsD iD iTTuKeeKeKeeeTTUU 增量式：(9)6768 變速積分的PID算法其它其它PID算法算法 帶死區(qū)的PID算法微分先行的PID算法 根據(jù)系統(tǒng)偏差大小改變積分速度，使其與偏差大小相對應，即偏差大時，積分累加速度減慢積分作用弱；反之積分累加速度加快，增強積分。( )( )( )( )( )U kE kBU kk U kE kBB死區(qū)K死區(qū)增益693. 純滯后補償算法：史密斯預估器純滯后補償算法：史密斯預估器 在工業(yè)控制中，許多控制對象往往具有純滯后的性質(zhì)。 所謂純滯后就是由于調(diào)節(jié)作用點或擾動作用點和被調(diào)參數(shù)相隔一定的距離，而導致被調(diào)參數(shù)的變化落后與

24、調(diào)節(jié)作用或擾動的發(fā)生和變化。傳遞函數(shù)：1( )1sk eG sT s比一般一階慣性環(huán)節(jié)的前行通道上，多了（乘）一個純滯后環(huán)節(jié)）70解決辦法： 消除es使對象變?yōu)榧円浑A慣性環(huán)節(jié)1( )1kG sT s加一個史密斯預估計補償純滯后11(1)( )1skeG sT s71可以看作兩個環(huán)節(jié)，分別離散化：計算機實現(xiàn)：1111(1)( )( )111ssk ekekG sG sT sT sT s11 1VT s廣義對象成為一階慣性環(huán)節(jié)111(1)1( )(1)11sskeG skeT sT s(1)sdke72另一種方法：采樣采樣-PID 這種補償?shù)姆椒▽τ谀M調(diào)節(jié)器幾乎無法實現(xiàn)，用計算機則能很容易的實現(xiàn)

25、。()kkkTdk VV11(1)kkkTVCVTT一階慣性濾波的推到過程一樣T是采樣周期73PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇 PID調(diào)節(jié)器設計的前提是：T Ts 準連續(xù)系統(tǒng)可仿照連續(xù)系統(tǒng)方法對PID參數(shù)整定 穩(wěn)定邊界法； 反應曲線法； 衰減曲線法。741. 穩(wěn)定邊界法穩(wěn)定邊界法 穩(wěn)定邊界法又稱臨界比例度法，即在生產(chǎn)工藝許可的情況下，用試驗方法找出，當比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)的被調(diào)量作等幅振蕩（即達到了穩(wěn)定邊界時的臨界比例度Pm）時，按經(jīng)驗公式求出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)。調(diào)節(jié)器整定數(shù)據(jù)0.85imTT2.2mPP1arctan()miT111.180.1880.852mimmTTarctan( 0.188)10 40 752. 反應曲線法反應曲線法minmaxminmaxxxxyyyK對象飛升特性 根據(jù)飛升特性曲線定出幾個能代表該調(diào)節(jié)對象動態(tài)特性的參數(shù)，然后可直接按這個數(shù)據(jù)定