《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第3版》 課件 第7章 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)

第7章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)

軟件是工業(yè)控制機(jī)的程序系統(tǒng)，它可分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。系統(tǒng)軟件：實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)、引導(dǎo)程序、調(diào)度執(zhí)行程序等。

應(yīng)用軟件：面向控制系統(tǒng)本身的程序，它是根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，由用戶自己設(shè)計(jì)的。

軟件設(shè)計(jì)的方法：利用計(jì)算機(jī)語言自己編制需要的應(yīng)用程序；利用組態(tài)軟件。7.1程序設(shè)計(jì)技術(shù)7.1.1模塊化與結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)

7.1.2面向過程與面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)

7.1.3高級(jí)語言I/O控制臺(tái)編程7.1.1模塊化與結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)一個(gè)完整的程序設(shè)計(jì)過程可以用左圖來說明。

首先要分析用戶的要求，這大約占整個(gè)程序設(shè)計(jì)工作量的10%；然后編寫程序的說明，這大約也占10%；接著進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)與編碼，這大約占30%左右，其中設(shè)計(jì)與編碼幾乎各占15%；最后進(jìn)行測(cè)試和調(diào)試，這要花費(fèi)整個(gè)程序設(shè)計(jì)工作量的40%以上。1.模塊化程序設(shè)計(jì)

（1）自底向上模塊化設(shè)計(jì)首先對(duì)最低層模塊進(jìn)行編碼、測(cè)試和調(diào)試。這些模塊正常工作后，就可以用它們來開發(fā)較高層的模塊。這種方法是匯編語言設(shè)計(jì)常用的方法。（2）自頂向下模塊化設(shè)計(jì)首先對(duì)最高層進(jìn)行編碼、測(cè)試和調(diào)試。為了測(cè)試這些最高層模塊，可以用“結(jié)點(diǎn)”來代替還未編碼的較低層模塊，這些“結(jié)點(diǎn)”的輸入和輸出滿足程序的說明部分要求，但功能少得多。該方法一般適合用高級(jí)語言來設(shè)計(jì)程序。2.結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)

1966年，C.Bohm和G.Jacopini證明了只用三種基本的控制結(jié)構(gòu)就能實(shí)現(xiàn)任何單入口單出口的程序。這三種基本的控制結(jié)構(gòu)是“順序”、“選擇”、“循環(huán)”。如右圖所示。7.1.2面向過程與面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)1.面向過程的程序設(shè)計(jì)及其局限性過程式程序設(shè)計(jì)是面向功能的。首先要定義所要實(shí)現(xiàn)的功能，然后設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)這些功能所要執(zhí)行的步驟。這些步驟就是過程。編寫代碼實(shí)際上等于分解這些步驟，使每一步直接對(duì)應(yīng)一行代碼。這就是過程式編程中的“逐步求精”的過程。這種方式不利于中大型軟件的開發(fā)與維護(hù)，小部分?jǐn)?shù)據(jù)或功能的改變會(huì)涉及到很多的相關(guān)程序。2.面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)以上兩種方法在概念上存在以下主要區(qū)別：（1）模塊與對(duì)象（2）過程調(diào)用和消息傳遞（3）類型和類（4）靜態(tài)鏈接和動(dòng)態(tài)鏈接7.1.3高級(jí)語言I/O控制臺(tái)編程

對(duì)于PC總線工業(yè)控制機(jī)，我們以TurboC為例來說明其訪問I/O端口的編程。

TurboC通常有庫函數(shù)，允許直接訪問I/O端口，頭文件〈conio.h〉中定義了I/O端口例程。例如：

a=inportw(0x210)b=inportb(0x220)

第一條指令表示將端口210H的16位二進(jìn)制數(shù)(一個(gè)字)輸入給變量a，第二條指令表示將端口220H的8位二進(jìn)制數(shù)(一個(gè)字節(jié))輸入給變量b。在C語言中，0x起頭的是16進(jìn)制數(shù)。又如：outportw(0x230,0x3435)outportb(0x240,0x26)

第一條指令表示將二字節(jié)數(shù)3435H輸出到端口230H中，第二條指令表示將單字節(jié)數(shù)26H輸出到端口240H中。7.2人機(jī)接口技術(shù)7.2.1HMI/SCADA的含義HMI（HumanMachineInterface）廣義的解釋就是“使用者與機(jī)器間溝通、傳達(dá)及接收信息的一個(gè)接口”。利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理的強(qiáng)大功能，向用戶提供諸如工藝流程圖顯示、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)畫面顯示、參數(shù)修改與設(shè)置、報(bào)表編制、趨勢(shì)圖生成、報(bào)警畫面、打印參數(shù)以及生產(chǎn)管理等多種功能，為系統(tǒng)提供良好的人機(jī)界面。一般而言，HMI系統(tǒng)必須有幾項(xiàng)基本的能力：(1)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。(2)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換接口。(3)綁定驅(qū)動(dòng)(NativeDriver)。7.2.2

基于監(jiān)控組態(tài)軟件設(shè)計(jì)人機(jī)接口

組態(tài)最早來自英文Configuration，含義是使用軟件工具對(duì)計(jì)算機(jī)及軟件的各種資源進(jìn)行配置，達(dá)到使計(jì)算機(jī)或軟件按照預(yù)先設(shè)置自動(dòng)完成特定任務(wù)，滿足使用者要求的目的。監(jiān)控組態(tài)軟件，即監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SupervisoryControlandDataAcquisition，SCADA）軟件，是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，使用靈活的組態(tài)方式，為用戶提供快速構(gòu)建工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)監(jiān)控功能的、通用層次的軟件工具。7.2.3

基于可視化高級(jí)語言設(shè)計(jì)人機(jī)接口

1.VisualBasic（VB）2.VisualC++（VC++）3.C#7.3測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)7.3.1誤差自動(dòng)校準(zhǔn)

7.3.2線性化處理和非線性補(bǔ)償

7.3.3標(biāo)度變換方法

7.3.4越限報(bào)警處理

傳感器把生產(chǎn)過程的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后用A／D轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，讀入計(jì)算機(jī)中。

對(duì)于這樣得到的數(shù)據(jù)，一般要進(jìn)行一些預(yù)處理，其中最基本的處理有線性化處理、標(biāo)度變換和誤差自動(dòng)校準(zhǔn)。7.3.1誤差自動(dòng)校準(zhǔn)

定義：系統(tǒng)誤差是指在相同條件下，經(jīng)過多次測(cè)量，誤差的數(shù)值(包括大小符號(hào))保持恒定，或按某種已知的規(guī)律變化的誤差。特點(diǎn)：在一定的測(cè)量條件下，其變化規(guī)律是可以掌握的，產(chǎn)生誤差的原因一般也是知道的。方法：偏移校準(zhǔn)在實(shí)際中應(yīng)用最多，并且常采用程序來實(shí)現(xiàn)，稱為數(shù)字調(diào)零。

數(shù)字調(diào)零：在測(cè)量時(shí)，先把多路輸入接到所需測(cè)量的一組輸入電壓上進(jìn)行測(cè)量，測(cè)出這時(shí)的輸入值為x1,然后把多路開關(guān)的輸入接地，測(cè)出零輸入時(shí)A／D轉(zhuǎn)換器的輸出為x0，用x1減去x0即為實(shí)際輸入電壓x。除了數(shù)字調(diào)零外，還可以采用偏移和增益誤差的自動(dòng)校準(zhǔn)。1.全自動(dòng)校準(zhǔn)

采用這種方法測(cè)得的V與放大器的漂移和增益變化無關(guān)，與V和R的精度也無關(guān)。這樣可大大提高測(cè)量精度，降低對(duì)電路器件的要求。

先把開關(guān)接地，測(cè)出這時(shí)的輸入值x0，然后把開關(guān)接VR，測(cè)出輸入值x1，并存放x1、x0，在正式測(cè)量時(shí)，如測(cè)出的輸入值為x，則這時(shí)的V可用下式計(jì)算2.人工自動(dòng)校準(zhǔn)

人工自動(dòng)校準(zhǔn)只測(cè)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸入信號(hào)yR，零信號(hào)的補(bǔ)償由數(shù)字調(diào)零來完成。設(shè)數(shù)字調(diào)零后測(cè)出的數(shù)據(jù)分別為xR(接校準(zhǔn)輸入yR時(shí))和x(接被測(cè)輸入y時(shí))，則可按下式來計(jì)算y。

如果在校準(zhǔn)時(shí)，計(jì)算并存放yR／xR的值，則測(cè)量校準(zhǔn)時(shí)，只需行一次乘法即可。人工自動(dòng)校準(zhǔn)特別適于傳感器特性隨時(shí)間會(huì)發(fā)生變化的場(chǎng)合。如常用的濕敏電容等濕度傳感器。7.3.2線性化處理和非線性補(bǔ)償1．鉑熱電阻的阻值與溫度的關(guān)系2．熱電偶的熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系3．孔板差壓與流量的關(guān)系4．氣體體積流量的非線性補(bǔ)償7.3.3標(biāo)度變換方法

在工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，如，壓力的單位為Pa，流量的單位為m3／h，溫度的單位為℃等，這些參數(shù)經(jīng)傳感器和A／D轉(zhuǎn)換后得到一系列的數(shù)碼，這些數(shù)碼值并不一定等于原來帶有量綱的參數(shù)值，它僅僅對(duì)應(yīng)于參數(shù)值的大小，故必須把它轉(zhuǎn)換成帶有量綱的工程值后才能運(yùn)算、顯示或打印輸出，這種轉(zhuǎn)換就是標(biāo)度變換。標(biāo)度變換有各種類型，它取決于被測(cè)參數(shù)的傳感器的類型，應(yīng)根據(jù)實(shí)際要求來選用適當(dāng)?shù)臉?biāo)度變換方法。

1．線性變換公式

2．公式轉(zhuǎn)換法

3．其它標(biāo)度變換法1.線性變換公式

Y=(Ymax-Ymin)(X-Nmin)／(Nmax-Nmin)+Ymin

Y表示參數(shù)測(cè)量值，Ymax表示參數(shù)量程最大值，Ymin表示參數(shù)量程最小值，Nmax表示Ymax對(duì)應(yīng)的A／D轉(zhuǎn)換值，Nmin表示Ymin對(duì)應(yīng)的A／D轉(zhuǎn)換值，X表示測(cè)量值Y對(duì)應(yīng)的A／D轉(zhuǎn)換值。2.公式轉(zhuǎn)換法可采用直接按解析式來計(jì)算。3.其它標(biāo)度變換法可采用多項(xiàng)式插值法，也可以用線性插值法或查表進(jìn)行標(biāo)度變換。7.3.4越限報(bào)警處理

越限報(bào)警是工業(yè)控制過程常見而又實(shí)用的一種報(bào)警形式，它分為上限報(bào)警、下限報(bào)警及上下限報(bào)警。如果需要判斷的報(bào)警參數(shù)是xn，該參數(shù)的上下限約束值分別是xmax和xmin，則上下限報(bào)警的物理意義如下：

(1)上限報(bào)警若xn＞xmax，則上限報(bào)警，否則繼續(xù)執(zhí)行原定操作。

(2)下限報(bào)警若xn＜xmin，則下限報(bào)警，否則繼續(xù)執(zhí)行原定操作。

(3)上下限報(bào)警若xn＞xmax，則上限報(bào)警，否則對(duì)下式做判別；

xn＜xmin否?若是則下限報(bào)警，否則繼續(xù)原定操作。根據(jù)上述規(guī)定，程序可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被控參數(shù)y、偏差e以及控制量u進(jìn)行上下限檢查。7.4數(shù)字控制器的工程實(shí)現(xiàn)7.4.1給定值和被控量處理

7.4.2偏差處理

7.4.3控制算法的實(shí)現(xiàn)

7.4.4控制量處理

7.4.5自動(dòng)/手動(dòng)切換技術(shù)

數(shù)字控制器算法的工程實(shí)現(xiàn)中，應(yīng)注意的問題，由以下五部分給出:7.4.1給定值和被控量處理1.給定值處理給定值處理包括選擇給定值SV和給定值變化率限制SR兩部分。通過選擇軟開關(guān)CL／CR，可以構(gòu)成內(nèi)給定狀態(tài)或外給定狀態(tài)；通過選擇軟開關(guān)CAS／SCC，可以構(gòu)成串級(jí)控制或SCC控制。

(1)內(nèi)給定狀態(tài)當(dāng)軟開關(guān)CL／CR切向CL位置時(shí)，選擇操作員設(shè)置的給定值SVL。這時(shí)系統(tǒng)處于單回路控制的內(nèi)給定狀態(tài)，利用給定值鍵可以改變給定值。(2)外給定狀態(tài)當(dāng)軟開關(guān)CL／CR切向CR位置時(shí)，給定值來自上位計(jì)算機(jī)、主回路或運(yùn)算模塊。這時(shí)系統(tǒng)處于外給定狀態(tài)。在此狀態(tài)下，可以實(shí)現(xiàn)以下兩種控制方式。①SCC控制:當(dāng)軟開關(guān)CAS／SCC切向SCC位置時(shí)，接收來自上位計(jì)算機(jī)的給定值SVS，以便實(shí)現(xiàn)二級(jí)計(jì)算機(jī)控制。②串級(jí)控制:當(dāng)軟開關(guān)CAS／SCC切向CAS位置時(shí)，給定值SVS來自主調(diào)節(jié)模塊，實(shí)現(xiàn)串級(jí)控制。

(3)給定值變化率限制為了減少給定值突變對(duì)控制系統(tǒng)的擾動(dòng)，防止比例、積分飽和，以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)控制，需要對(duì)給定值的變化率SR加以限制。變化率的選取要適中，過小會(huì)使響應(yīng)變慢，過大則達(dá)不到限制的目的。綜上所述，在給定值處理中，共具有三個(gè)輸入量(SVL，SVC，SVS)，兩個(gè)輸出量(SV，CSV)，兩個(gè)開關(guān)量(CL／CR，CAS／SCC)，一個(gè)變化率(SR)。為了便于PID控制程序調(diào)用這些量，需要給每個(gè)PID控制模塊提供一段內(nèi)存數(shù)據(jù)區(qū)，來存儲(chǔ)以上變量。2.被控量處理

為了安全運(yùn)行，需要對(duì)被控量PV進(jìn)行上下限報(bào)警處理,即:

當(dāng)PV＞PH(上限值)時(shí)，則上限報(bào)警狀態(tài)(PHA)為“1”；當(dāng)PV＜PL(下限值)時(shí)，則下限報(bào)警狀態(tài)(PLA)為“1”。當(dāng)出現(xiàn)上、下限報(bào)警狀態(tài)(PHA，PLA)時(shí)，它們通過驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出聲或光，以便提醒操作員注意。為了不使PHA／PLA的狀態(tài)頻繁改變，可以設(shè)置一定的報(bào)警死區(qū)(HY)。為了實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)控制，需要對(duì)參與控制的被控量的變化率PR加以限制。變化率的選取要適中，過小會(huì)使響應(yīng)變慢，過大則達(dá)不到限制的目的。被控量處理數(shù)據(jù)區(qū)存放一個(gè)輸入量PV，三個(gè)輸出量PHA、PLA和CPV，四個(gè)參數(shù)PH、PL、HY和PR。7.4.2偏差處理

偏差處理分為計(jì)算偏差、偏差報(bào)警、非線性特性和輸入補(bǔ)償四部分，如下圖所示。

1．計(jì)算偏差：根據(jù)正／反作用方式(D／R)計(jì)算偏差DV，當(dāng)D／R=0，代表正作用，此時(shí)偏差DV=CPV-CSV；當(dāng)D／R=1，代表反作用，此時(shí)偏差DV=CSV-CPV；

2．偏差報(bào)警：對(duì)于控制要求較高的對(duì)象，不僅要設(shè)置被控制量PV的上、下限報(bào)警，而且要設(shè)置偏差報(bào)警。當(dāng)偏差絕對(duì)值|DV|＞DL時(shí)，則偏差報(bào)警狀態(tài)DLA為“1”。3．輸入補(bǔ)償根據(jù)輸入補(bǔ)償方式ICM狀態(tài)，決定偏差DVC與輸入補(bǔ)償量ICV之間的關(guān)系，即當(dāng)ICM=0，代表無補(bǔ)償，此時(shí)CDV=DVC；當(dāng)ICM=1，代表加補(bǔ)償，此時(shí)CDV=DVC+ICV;

當(dāng)ICM=2，代表減補(bǔ)償，此時(shí)CDV=DVC-ICV;

當(dāng)ICM=3，代表置換補(bǔ)償，此時(shí)CDV=ICV。利用加、減輸入補(bǔ)償，可以分別實(shí)現(xiàn)前饋控制和純滯后補(bǔ)償(Smith)控制。4．非線性特性為了實(shí)現(xiàn)非線性PID控制或帶死區(qū)的PID控制，設(shè)置了非線性區(qū)-A至+A和非線性增益K，非線性特性如圖所示。即當(dāng)K=0時(shí)，則為帶死區(qū)的PID控制；當(dāng)0＜K＜1時(shí)，則為非線性PID控制；當(dāng)K=1時(shí)，則為正常的PID控制。偏差處理數(shù)據(jù)區(qū)共存放一個(gè)輸入補(bǔ)償量ICV，兩個(gè)輸出量DLA和CDV，兩個(gè)狀態(tài)量D／R和ICM，以及四個(gè)參數(shù)DL、-A、+A和K。7.4.3控制算法的實(shí)現(xiàn)

在自動(dòng)狀態(tài)下，需要進(jìn)行控制計(jì)算，即按照各種控制算法的差分方程，計(jì)算控制量U，并進(jìn)行上、下限限幅處理。以PID控制算法為例，當(dāng)軟開關(guān)DV／PV切向DV位置時(shí)，則選用偏差微分方式；當(dāng)軟開關(guān)DV／PV切向PV位置時(shí)，則選用測(cè)量(即被控量)微分方式。

在PID計(jì)算數(shù)據(jù)區(qū)，不僅要存放PID參數(shù)(KP或δ，TI，TD)和采控制周期T，還要存放微分方式DV／PV、積分分離值ε，控制量上限限值MH和下限限值ML，以及控制量UK。為了進(jìn)行遞推運(yùn)算，還應(yīng)保存歷史數(shù)據(jù)，如e(k-1)、e(k-2)和u(k-1)。7.4.4控制量處理

在輸出控制量UK以前，還應(yīng)經(jīng)過各項(xiàng)處理和判斷，以便擴(kuò)展控制功能，實(shí)現(xiàn)安全平穩(wěn)操作。

1．輸出補(bǔ)償：根據(jù)輸出補(bǔ)償方式OCM的狀態(tài)，決定控制量UK與輸出補(bǔ)償量OCV之間的關(guān)系，即：當(dāng)OCM=0,代表無補(bǔ)償，此時(shí)Uc=Uk；當(dāng)OCM=1,代表加補(bǔ)償，此時(shí)Uc=Uk+OCV；當(dāng)OCM=2,代表減補(bǔ)償，此時(shí)Uc=Uk-OCV;

當(dāng)OVM=3，代表置換補(bǔ)償，此時(shí)Uc=OCV.

利用輸出和輸入補(bǔ)償，可以擴(kuò)大實(shí)際應(yīng)用范圍，靈活組成復(fù)雜的數(shù)字控制器，以便組成復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)。2．變化率限制：為了實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)操作，需要對(duì)控制量的變化率MR加以限制。變化率的選取要適中，過小會(huì)使操作緩慢，過大則達(dá)不到限制的目的。

3．輸出保持：當(dāng)軟開關(guān)FH／NH切向NH位置時(shí)，現(xiàn)時(shí)刻的控制量u(k)等于前一時(shí)刻的控制量u(k-1)，也就是說，輸出控制量保持不變。當(dāng)軟開關(guān)FH／NH切向FH位置時(shí)，又恢復(fù)正常輸出方式。軟開關(guān)FH／NH狀態(tài)一般來自系統(tǒng)安全報(bào)警開關(guān)。

4．安全輸出：當(dāng)軟開關(guān)FS／NS切向NS位置時(shí)，現(xiàn)時(shí)刻的控制量等于預(yù)置的安全輸出量MS。當(dāng)軟開關(guān)FS／NS切向FS位置時(shí)，又恢復(fù)正常輸出方式。軟開關(guān)FS／NS狀態(tài)一般來自系統(tǒng)安全報(bào)警開關(guān)?？刂屏刻幚頂?shù)據(jù)區(qū)需要存放輸出補(bǔ)償量OCV和補(bǔ)償方式OCM，變化率限制值MR，軟開關(guān)FH／NH和FS／NS，安全輸出量MS，以及控制量CMV。7.4.5自動(dòng)/手動(dòng)切換技術(shù)

在正常運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)處于自動(dòng)狀態(tài)；而在調(diào)試階段或出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)處于手動(dòng)狀態(tài)。下圖為自動(dòng)/手動(dòng)切換處理框圖。

1.軟自動(dòng)／軟手動(dòng)當(dāng)軟開關(guān)SA／SM切向SA位置時(shí)，系統(tǒng)處于正常的自動(dòng)狀態(tài)，稱為軟自動(dòng)(SA)；反之，切向SM位置時(shí)，控制量來自操作鍵盤或上位計(jì)算機(jī)，此時(shí)系統(tǒng)處于計(jì)算機(jī)手動(dòng)狀態(tài)，稱為軟手動(dòng)(SM)。一般在調(diào)試階段，采用軟手動(dòng)(SM)方式。2.控制量限幅為了保證執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作在有效范圍內(nèi)，需要對(duì)控制量Us進(jìn)行上、下限限幅處理，使得ML≤MV≤MH，再經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器輸出0～10mADC或4～20mADC。3.自動(dòng)／手動(dòng)

對(duì)于一般的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，可采用手動(dòng)操作器作為計(jì)算機(jī)的后備操作。當(dāng)切換開關(guān)處于HA位置時(shí)，控制量MV通過D／A輸出，此時(shí)系統(tǒng)處于正常的計(jì)算機(jī)控制方式，稱為自動(dòng)狀態(tài)(HA狀態(tài))；反之，若切向HM位置，則計(jì)算機(jī)不再承擔(dān)控制任務(wù)，由運(yùn)行人員通過手動(dòng)操作器輸出0～10mADC或4～20mADC信號(hào)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)方操作，這稱為手動(dòng)狀態(tài)(HM狀態(tài))。4.無平衡無擾動(dòng)切換

無平衡無擾動(dòng)切換，是指在進(jìn)行手動(dòng)到自動(dòng)或自動(dòng)到手動(dòng)的切換之前，無須由人工進(jìn)行手動(dòng)輸出控制信號(hào)與自動(dòng)輸出控制信號(hào)之間的對(duì)位平衡操作，就可以保證切換時(shí)不會(huì)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的現(xiàn)有位置產(chǎn)生擾動(dòng)。

在手動(dòng)(SM或HM)狀態(tài)下，盡管并不進(jìn)行PID計(jì)算，但應(yīng)使給定值(CSV)跟蹤被控量(CPV)，同時(shí)也要把歷史數(shù)據(jù)，如e(k-1)和e(k-2)清零，還要使u(k-1)跟蹤手動(dòng)控制量(MV或VM)。這樣，一旦切向自動(dòng)而u(k-1)又等于切換瞬間的手動(dòng)控制量，這就保證了PID控制量的連續(xù)性。當(dāng)然，這一切需要有相應(yīng)的硬件電路配合。4.無平衡無擾動(dòng)切換當(dāng)從自動(dòng)(SA與HA)切向軟手動(dòng)(SM)時(shí)，只要計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序工作正常，就能自動(dòng)保證無擾動(dòng)切換。當(dāng)從自動(dòng)(SA與HA)切向硬手動(dòng)(HM)時(shí)，通過手動(dòng)操作器電路，也能保證無擾動(dòng)切換。從輸出保持狀態(tài)或安全輸出狀態(tài)切向正常的自動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，同樣需要進(jìn)行無擾動(dòng)切換，為此可采取類似的措施，不再贅述。自動(dòng)手動(dòng)切換數(shù)據(jù)區(qū)需要存放軟手動(dòng)控制量SMV，軟開關(guān)SA／SM狀態(tài)，控制量上限限值(MH)和下限限值(ML)，控制量MV，切換開關(guān)HA／HM狀態(tài)，以及手動(dòng)操作器輸出VM。

以上討論了PID控制程序的各部分功能及相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)。完整的PID控制模塊數(shù)據(jù)區(qū)除了上述各部分外，還有被控量量程上限RH和量程下限RL，工程單位代碼、采樣(控制)周期等。該數(shù)據(jù)區(qū)是PID控制模塊存在的標(biāo)志，可把它看作是數(shù)字PID控制器的實(shí)體。只有正確地填寫PID數(shù)據(jù)區(qū)后，才能實(shí)現(xiàn)PID控制系統(tǒng)。采用上述數(shù)字控制器，不僅可以組成單回路控制系統(tǒng)，而且可以組成串級(jí)、前饋、純滯后補(bǔ)償(Smith)等復(fù)雜控制系統(tǒng)，對(duì)于后面兩種系統(tǒng)還應(yīng)增加補(bǔ)償器運(yùn)算模塊。利用該控制模塊和各種功能運(yùn)算模塊的組合，可以組成各種控制系統(tǒng)來滿足生產(chǎn)過程控制的要求。7.5系統(tǒng)的有限字長(zhǎng)數(shù)值問題7.5.1量化誤差來源7.5.2A-D、D-A及運(yùn)算字長(zhǎng)的選擇7.5.1量化誤差來源1.量化誤差

量化單位q：就是機(jī)內(nèi)數(shù)的最小單位

舉例，8位和12位的A/D轉(zhuǎn)換器，在0—5V時(shí)的q通過A／D轉(zhuǎn)換可計(jì)算出模擬電壓x相當(dāng)于多少個(gè)整量化單位，即:x=Lq+ε,式中L為整數(shù)，對(duì)于余數(shù)ε(ε＜q)可以用截尾或舍入來處理。所謂截尾就是舍掉數(shù)值中小于q的余數(shù)ε(ε＜q)，其截尾誤差εt為εt=xt-x

式中x為實(shí)際數(shù)值，xt為截尾后的數(shù)值。顯然-q＜εt≤0。所謂舍入是指，當(dāng)被舍掉的余數(shù)ε大于或等于量化單位的一半時(shí)，則最小有效位加1；而當(dāng)余數(shù)ε小于量化單位的一半時(shí)，則舍掉ε。這時(shí)舍入誤差為εr=xr-x

式中x為實(shí)際數(shù)值，xr舍入后的數(shù)值。顯然，-q/2≤εr≤q/2。2.量化誤差來源

從下圖可以看出，產(chǎn)生量化誤差的原因主要有以下幾個(gè)方面：

(1)A/D轉(zhuǎn)換的量化效應(yīng)

(2)控制規(guī)律計(jì)算中的量化效應(yīng)。

(3)控制參數(shù)的量化效應(yīng)

(4)D/A轉(zhuǎn)換的量化效應(yīng)6.5.2A/D、D/A及運(yùn)算字長(zhǎng)的選擇1.A/D轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)選擇2.D/A轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)選擇3.運(yùn)算的字長(zhǎng)選擇1.A/D轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)選擇

為把量化誤差限制在所允許的范圍內(nèi)，應(yīng)使A/D轉(zhuǎn)換器有足夠的字長(zhǎng)。確定字長(zhǎng)要考慮的因素是：輸入信號(hào)x的動(dòng)態(tài)范圍和分辨率。

(1)輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍λ為轉(zhuǎn)換當(dāng)量

(2)分辨率2.D/A轉(zhuǎn)換器的字長(zhǎng)選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大輸入值為umax最小輸入值為umin靈敏度為λ3.運(yùn)算的字長(zhǎng)選擇

由8位或12位A/D變換器采集數(shù)據(jù)之后，為了保證運(yùn)算精度，在CPU內(nèi)幾乎毫無例外的至少采用16位字長(zhǎng)運(yùn)算。運(yùn)算精度不僅取決于字長(zhǎng)，而且還取決于采用定點(diǎn)數(shù)或浮點(diǎn)數(shù)。如果采用浮點(diǎn)數(shù)，運(yùn)算精度可以大大提高。不管采用定點(diǎn)還是浮點(diǎn)數(shù)，輸入標(biāo)準(zhǔn)數(shù)0至1對(duì)應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的全0至全1；輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)0至1對(duì)應(yīng)D/A轉(zhuǎn)換器數(shù)字位狀態(tài)的全0至全1。7.6軟件抗干擾技術(shù)1.測(cè)控系統(tǒng)軟件的基本要求（1）易理解、易維護(hù)

指軟件系統(tǒng)容易閱讀和理解，容易發(fā)現(xiàn)和糾正錯(cuò)誤，容易修改和補(bǔ)充。（2）實(shí)時(shí)性

要求系統(tǒng)及時(shí)響應(yīng)外部事件的發(fā)生，并及時(shí)給出處理結(jié)果。（3）可測(cè)試性

兩方面含義：其一是比較容易制定出測(cè)試準(zhǔn)則，并根據(jù)這些準(zhǔn)則對(duì)軟件進(jìn)行測(cè)試；其二軟件設(shè)計(jì)完成后，首先在模擬環(huán)境下運(yùn)行，經(jīng)過靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)仿真運(yùn)行，證明正確無誤后才可投入實(shí)際運(yùn)行。（4）準(zhǔn)確性

算法選擇、位數(shù)選擇等要符合要求。（5）可靠性

最重要的指標(biāo)之一，兩方面含義：第一是運(yùn)行參數(shù)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，軟件能可靠運(yùn)行并給出準(zhǔn)確結(jié)果，即軟件應(yīng)具有自適應(yīng)性；第二是工業(yè)環(huán)境極其惡劣，干擾嚴(yán)重，軟件必須保證在嚴(yán)重干擾條件下也能可靠運(yùn)行。2.軟件抗干擾研究的主要內(nèi)容(1)采用軟件的方法抑制疊加在輸入輸出信號(hào)上噪聲影響，如模擬輸入信號(hào)的數(shù)字濾波技術(shù)；(2)由于干擾而使程序發(fā)生混亂，導(dǎo)致程序亂飛或陷入死循環(huán)，采取使程序納入正規(guī)的措施，如指令冗余、軟件陷阱、“看門狗”技術(shù)等；(3)發(fā)現(xiàn)程序失控后，解決系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行的方法，如重要信息的恢復(fù)，系統(tǒng)重入的條件等。(3)數(shù)字濾波器可以根據(jù)信號(hào)的不同，采用不同的濾波方法或?yàn)V波參數(shù)，具有靈活、方便、功能強(qiáng)的特點(diǎn)。7.6.1數(shù)字濾波技術(shù)

所謂數(shù)字濾波，就是通過一定的計(jì)算或判斷程序減少干擾在有用信號(hào)中的比重。故實(shí)質(zhì)上它是一種程序?yàn)V波。

與模擬濾波器相比，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):(1)數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬設(shè)備，所以可靠性高，穩(wěn)定性好。(2)數(shù)字濾波可以對(duì)頻率很低(如0．01HZ)的信號(hào)實(shí)現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷。

主要數(shù)字濾波算法：算術(shù)平均值法、中位值濾波法、限幅濾波法、慣性濾波法1.算術(shù)平均值法第術(shù)平均值法是對(duì)輸入的N個(gè)采樣數(shù)據(jù)xi(i=1～N)，尋找這樣一個(gè)y，使y與各采樣值間的偏差的平方和為最小，使由一元函數(shù)求極值原理可得：例：某壓力儀表采樣數(shù)據(jù)如下：1234567891024252027246024252623序號(hào)采樣值采樣數(shù)據(jù)明顯存在被干擾現(xiàn)象（彩色數(shù)據(jù)）。采用算術(shù)平均值濾波后，其采樣值為：Y=(24+25+20+27+24+60+24+25+26+23)/10=28干擾被平均到采樣值中去了

3）平均值濾波法一般適用于具有周期性干擾噪聲的信號(hào)，但對(duì)偶然出現(xiàn)的脈沖干擾信號(hào)，濾波效果尚不理想。特點(diǎn)：1）N值決定了信號(hào)平滑度和靈敏度。隨著N的增大，平滑度提高，靈敏度降低。應(yīng)該視具體情況選擇N，以便得到滿意的濾波效果。2）對(duì)每次采樣值給出相同的加權(quán)系數(shù)，即1/N。在不同采樣時(shí)刻采集數(shù)據(jù)受到同樣重視。實(shí)際上某些場(chǎng)合需要增加新采樣值在平均值中的比重，可采用加權(quán)平均值濾波法。濾波公式為：Y=R0Y0+R1Y1+R2Y2+…+RmYm。2.中位值濾波法

中位值濾波法的原理是對(duì)被測(cè)參數(shù)連續(xù)采樣m次(m≥3)且是奇數(shù)，并按大小順序排列；再取中間值作為本次采樣的有效數(shù)據(jù)。

特點(diǎn):中位值濾波法對(duì)脈沖干擾信號(hào)等偶然因素引發(fā)的干擾有良好的濾波效果。如對(duì)溫度、液位等變化緩慢的被測(cè)參數(shù)采用此法會(huì)收到良好的濾波效果；對(duì)流量、速度等快速變化的參數(shù)一般不宜采用中位值濾波法

中位值濾波法和平均值濾波法結(jié)合起來使用，濾波效果會(huì)更好。即在每個(gè)采樣周期，先用中位值濾波法得到m個(gè)濾波值，再對(duì)這m個(gè)濾波值進(jìn)行算術(shù)平均，得到可用的被測(cè)參數(shù)。也稱為去脈沖干擾平均值濾波法.123456789242520272460242526例：某壓力儀表采樣數(shù)據(jù)如下：序號(hào)采樣值采樣數(shù)據(jù)明顯存在被干擾現(xiàn)象（彩色數(shù)據(jù)）。采用去脈沖干擾平均值濾波后，其采樣值為：25對(duì)1、2、3次采樣中位值濾波后值：24對(duì)4、5、6次采樣中位值濾波后值：27對(duì)7、8、9次采樣中位值濾波后值：253.限幅濾波法

由于大的隨機(jī)干擾或采樣器的不穩(wěn)定，使得采樣數(shù)據(jù)偏離實(shí)際值太遠(yuǎn)，為此采用上、下限限幅，即當(dāng)y(n)≥yH時(shí)，則取y(n)=yH(上限值)；當(dāng)y(n)≤yL時(shí)，則取y(n)=yL(下限值)；當(dāng)yL＜y(n)＜yH時(shí)，則取y(n)。而且采用限速(亦稱限制變化率)，即當(dāng)|y(n)-y(n-1)|≤Δy0時(shí)，則取y(n);

當(dāng)|y(n)-y(n-1)|＞Δy0時(shí)，則取y(n)=y(n-1)。其中Δy0為兩次相鄰采樣值之差的可能最大變化量。Δy0值的選取，取決于采樣周期T及被測(cè)參數(shù)y應(yīng)有的正常變化率。因此，一定要按照實(shí)際情況來確定Δy0、yH及yL，否則，非但達(dá)不到濾波效果，反而會(huì)降低控制品質(zhì)。4.慣性濾波法RC濾波器的傳遞函數(shù)是

其中Tf=RC,它的濾波效果取決于濾波時(shí)間常數(shù)Tf。因此，RC濾波器不可能對(duì)極低頻率的信號(hào)進(jìn)行濾波。為此，人們模仿上式做成一階慣性濾波器亦稱低通濾波器。

即將上式寫成差分方程

稍加整理得

其中，α稱為濾波系數(shù)，且0＜α＜1，Ts為采樣周期，Tf為濾波器時(shí)間常數(shù)。