1、第章 应用程序设计与实现技术 6.1 6.1 程序设计技术程序设计技术 6.2 6.2 测量数据预处理技术测量数据预处理技术 6.3 6.3 数字控制器的工程实现数字控制器的工程实现 6.4 6.4 系统的有限字长数值问题系统的有限字长数值问题 软件是工业控制机的程序系统，软件是工业控制机的程序系统，它可分为系统软件和。它可分为系统软件和。 所谓就是面向控制系统本身的程序，它是根据系统的具体所谓就是面向控制系统本身的程序，它是根据系统的具体要求，由用户自己设计的。要求，由用户自己设计的。 软件设计的方法：利用计算机语言自己编制需要的应用程软件设计的方法：利用计算机语言自己编制需要的应用程序；利
2、用组态软件。序；利用组态软件。 6.1 程序设计技术 6.1.1 6.1.1 模块化与结构化程序设计模块化与结构化程序设计 6.1.2 6.1.2 面向过程与面向对象的程序设计面向过程与面向对象的程序设计 6.1.3 6.1.3 高级语言高级语言I/OI/O控制台编程控制台编程 6.1.1 6.1.1 模块化与结构化程序设计模块化与结构化程序设计一个完整的程序设计过程可以用左图来说明。一个完整的程序设计过程可以用左图来说明。 首先要分析用户的要求，这大约占整个程序设首先要分析用户的要求，这大约占整个程序设计工作量的计工作量的10%10%；然后编写程序的说明，这大约也占然后编写程序的说明，这大约
3、也占10%10%；接着进行程序的设计与编码，这大约占接着进行程序的设计与编码，这大约占30%30%左左右，其中设计与编码几乎各占右，其中设计与编码几乎各占15%15%；最后进行测试和调试，这要花费整个程序设计最后进行测试和调试，这要花费整个程序设计工作量的工作量的40%40%以上。以上。 1.1.模块化程序设计模块化程序设计 （1 1）自底向上模块化设计）自底向上模块化设计 首先对最低层模块进行编码、测试和调试。这些模块首先对最低层模块进行编码、测试和调试。这些模块正常工作后，就可以用它们来开发较高层的模块。这种方正常工作后，就可以用它们来开发较高层的模块。这种方法是汇编语言设计常用的方法。法
4、是汇编语言设计常用的方法。 （2 2）自顶向下模块化设计）自顶向下模块化设计 首先对最高层进行编码、测试和调试。为了测试这些首先对最高层进行编码、测试和调试。为了测试这些最高层模块，可以用最高层模块，可以用“结点结点”来代替还未编码的较低层模来代替还未编码的较低层模块，这些块，这些“结点结点”的输入和输出满足程序的说明部分要求，的输入和输出满足程序的说明部分要求，但功能少得多。但功能少得多。 该方法一般适合用高级语言来设计程序。该方法一般适合用高级语言来设计程序。 2.2.结构化程序设计结构化程序设计 1966 1966年，年，C.Bohm C.Bohm 和和G.JacopiniG.Jacop
5、ini证明了证明了只用三种基本的控制只用三种基本的控制结构就能实现任何单结构就能实现任何单入口单出口的程序。入口单出口的程序。这三种基本的控制结这三种基本的控制结构是构是“顺序顺序”、“选选择择”、“循环循环”。如。如右图所示。右图所示。6.1.2 6.1.2 面向过程与面向对象的程序设计面向过程与面向对象的程序设计 1.1.面向过程的程序设计及其局限性面向过程的程序设计及其局限性 过程式程序设计是面向功能的。首先要定义所要实现的功能，过程式程序设计是面向功能的。首先要定义所要实现的功能，然后设计为实现这些功能所要执行的步骤。这些步骤就是过程。编然后设计为实现这些功能所要执行的步骤。这些步骤就
6、是过程。编写代码实际上等于分解这些步骤，使每一步直接对应一行代码。这写代码实际上等于分解这些步骤，使每一步直接对应一行代码。这就是过程式编程中的就是过程式编程中的“逐步求精逐步求精”的过程。的过程。 这种方式不利于中大型软件的开发与维护，小部分数据或功能这种方式不利于中大型软件的开发与维护，小部分数据或功能的改变会涉及到很多的相关程序。的改变会涉及到很多的相关程序。 2.2.面向对象的程序设计面向对象的程序设计 以上两种方法在概念上存在以下主要区别：以上两种方法在概念上存在以下主要区别： （1 1）模块与对象）模块与对象 （2 2）过程调用和消息传递）过程调用和消息传递 （3 3）类型和类）类
7、型和类 （4 4）静态链接和动态链接）静态链接和动态链接 6.1.3 6.1.3 高级语言高级语言I/OI/O控制台编程控制台编程 对于对于PCPC总线工业控制机，我们以总线工业控制机，我们以Turbo CTurbo C为例来说明其访问为例来说明其访问I/OI/O端口端口的编程。的编程。 Turbo CTurbo C通常有库函数，允许直接访问通常有库函数，允许直接访问I/OI/O端口，头文件端口，头文件conio.hconio.h中定义了中定义了I/OI/O端口例程。端口例程。 例如例如： a=inportw(0 x210)a=inportw(0 x210) b= b=inportb(0 x2
8、20)inportb(0 x220) 第一条指令表示将端口第一条指令表示将端口210H210H的的1616位二进制数位二进制数( (一个字一个字) )输入给变量输入给变量a a，第二条指令表示将端口第二条指令表示将端口220H220H的的8 8位二进制数位二进制数( (一个字节一个字节) )输入给变量输入给变量b b。在。在C C语言中，语言中，0 x0 x起头的是起头的是1616进制数。进制数。 又如：又如： outportw(0 x230,0 x3435)outportw(0 x230,0 x3435) outportb(0 x240,0 x26) outportb(0 x240,0 x2
9、6) 第一条指令表示将二字节数第一条指令表示将二字节数3435H3435H输出到端口输出到端口230H230H中，第二条指令中，第二条指令表示将单字节数表示将单字节数26H26H输出到端口输出到端口240H240H中。中。 6.2 6.2 测量数据预处理技术测量数据预处理技术 6.2.1 6.2.1 误差自动校准误差自动校准 6.2.2 6.2.2 线性化处理和非线性补偿线性化处理和非线性补偿 6.2.3 6.2.3 标度变换方法标度变换方法 6.2.4 6.2.4 越限报警处理越限报警处理 6.2.5 6.2.5 量化误差来源量化误差来源 6.2.6 A/D6.2.6 A/D、D/AD/A及
10、运算字长的选择及运算字长的选择 传感器把生产过程的信号转换成电信号，然后用传感器把生产过程的信号转换成电信号，然后用A AD D转换器转换器把模拟信号变成数字信号，读入计算机中。把模拟信号变成数字信号，读入计算机中。 对于这样得到的数据，一般要进行一些预处理，其中最基本对于这样得到的数据，一般要进行一些预处理，其中最基本的处理有线性化处理、标度变换和误差自动校准。的处理有线性化处理、标度变换和误差自动校准。 6.2.1 6.2.1 误差自动校准误差自动校准系统误差定义：是指在相同条件下，经过多次测量，误差的系统误差定义：是指在相同条件下，经过多次测量，误差的数值数值( (包括大小符号包括大小符
11、号) )保持恒定，或按某种已知的规律变化的保持恒定，或按某种已知的规律变化的误差。误差。 特点：在一定的测量条件下，其变化规律是可以掌握的，特点：在一定的测量条件下，其变化规律是可以掌握的，产生误差的原因一般也是知道的。产生误差的原因一般也是知道的。 方法：偏移校准在实际中应用最多，并且常采用程序来方法：偏移校准在实际中应用最多，并且常采用程序来实现，称为数字调零。实现，称为数字调零。 数字调零：在测量时，先把多路输入接到所需测量的一数字调零：在测量时，先把多路输入接到所需测量的一组输入电压上进行测量，测出这时的输入值为组输入电压上进行测量，测出这时的输入值为x x1 1, ,然后把多路然后把
12、多路开关的输入接地，测出零输入时开关的输入接地，测出零输入时A AD D转换器的输出为转换器的输出为x x0 0，用，用x x1 1减去减去x x0 0即为实际输入电压即为实际输入电压x x。图。图6-36-3 除了数字调零外，还可以采用偏移和增益误差的自动校除了数字调零外，还可以采用偏移和增益误差的自动校准。准。1.1.全自动校准全自动校准 RVV)(010 xxxx 采用这种方法测得的采用这种方法测得的V V与放大器的漂移和增益变化无关，与与放大器的漂移和增益变化无关，与V V和和R R的精度也无关。这样可大大提高测量精度，降低对电路器件的精度也无关。这样可大大提高测量精度，降低对电路器件
13、的要求。的要求。 先把开关接地，测出这时的输入值先把开关接地，测出这时的输入值x x0 0，然后把开关接基准，然后把开关接基准电压电压VRVR，测出输入值，测出输入值x x1 1，并存放，并存放x x1 1、x x0 0，在正式测量时，如测，在正式测量时，如测出的输入值为出的输入值为x x，则这时的，则这时的V V可用下式计算可用下式计算 全自动校准只适于基准参数是电信号场合，并且不能校正由全自动校准只适于基准参数是电信号场合，并且不能校正由传感器引入的误差。为克服这种缺点，采用人工自动校准。传感器引入的误差。为克服这种缺点，采用人工自动校准。自动校准：自动测量基准参数，计算误差模型，获得并存
14、储误差补偿因子。自动校准：自动测量基准参数，计算误差模型，获得并存储误差补偿因子。2.人工自动校准 人工自动校准只测一个标准输入信号人工自动校准只测一个标准输入信号y yR R，零信号的补，零信号的补偿由数字调零来完成。偿由数字调零来完成。 设数字调零后测出的数据分别为设数字调零后测出的数据分别为x xR R( (接校准输入接校准输入y yR R时时) )和和x(x(接被测输入接被测输入y y时时) )，则可按下式来计算，则可按下式来计算y y。xxyyRR6.2.2 6.2.2 线性化处理和非线性补偿线性化处理和非线性补偿1 1铂热电阻的阻值与温度的关系铂热电阻的阻值与温度的关系 离线计算温
15、度与铂热电阻阻值对应关系表即分度表，离线计算温度与铂热电阻阻值对应关系表即分度表，然后分段进行线性化。然后分段进行线性化。2 2热电偶的热电势与温度的关系热电偶的热电势与温度的关系 与热电阻方法相同。测量的参数为热电偶的热电势。与热电阻方法相同。测量的参数为热电偶的热电势。3 3孔板差压与流量的关系孔板差压与流量的关系4 4气体体积流量的非线性补偿气体体积流量的非线性补偿 PKF01100FPTPTF6.2.2 6.2.2 线性化处理和非线性补偿线性化处理和非线性补偿过程控制作业过程控制作业P102P102第第3030题题已知热电偶的分度号为已知热电偶的分度号为K,K,工作时的冷端温度为工作时
16、的冷端温度为3030，测得热，测得热电势以后，错用电势以后，错用E E分度表查得工作端的温度分度表查得工作端的温度715.2 715.2 ，试求，试求工作端实际温度是多少？工作端实际温度是多少？解：首先求出工作端温度相对解：首先求出工作端温度相对0 0 冷端的热电势的值，设该冷端的热电势的值，设该值为值为X X，按，按E E分度表，可列出方程：分度表，可列出方程：mVEtEEEEmVtE53.52)30, t,801. 1)30,(33.54)0 ,30()30, t0 , t,33.540（求得（）（又由于），（即：）（求得mVXX33.54,10907.53703.54907.537102
17、 .715mVC53.5230o时测得的热电势为即热电偶在冷端温度为Co9 .133710451.53795.53451.53733.53133053.7331.20352.53E(30,0)E(t,30)t,0)(E再通过查再通过查K K型热电偶分度表型热电偶分度表, ,可求得工作端实际温度可求得工作端实际温度t t6.2.3 6.2.3 标度变换方法标度变换方法 在工业测控系统中，如，压力的单位为在工业测控系统中，如，压力的单位为PaPa，流量的单位，流量的单位为为m m3 3h h，温度的单位为，温度的单位为等，这些参数经传感器和等，这些参数经传感器和A AD D转换转换后得到一系列的数
18、码，这些数码值并不一定等于原来带有量后得到一系列的数码，这些数码值并不一定等于原来带有量纲的参数值，它仅仅对应于参数值的大小，故必须把它转换纲的参数值，它仅仅对应于参数值的大小，故必须把它转换成带有量纲的工程值后才能运算、显示或打印输出，这种转成带有量纲的工程值后才能运算、显示或打印输出，这种转换就是标度变换。换就是标度变换。 标度变换有各种类型，它取决于被测参数的传感器的类标度变换有各种类型，它取决于被测参数的传感器的类型，应根据实际要求来选用适当的标度变换方法。型，应根据实际要求来选用适当的标度变换方法。 1 1线性变换公式线性变换公式 2 2公式转换法公式转换法 3 3其它标度变换法其它
19、标度变换法 1. 1.线性变换公式（前提：参数值与线性变换公式（前提：参数值与A/DA/D转换结果为转换结果为线性关系）线性关系） Y=(YY=(Ymaxmax-Y-Yminmin)(X-N)(X-Nminmin) )(N(Nmaxmax-N-Nminmin)+Y)+Yminmin Y Y表示参数测量值，表示参数测量值，Y Ymaxmax表示参数量程最大值，表示参数量程最大值，Y Yminmin表示参数量程最小值，表示参数量程最小值，N Nmaxmax表示表示 Y Ymaxmax对应的对应的A AD D转换后转换后的输入值，的输入值，N Nminmin表示量程起点表示量程起点Y Yminmin
20、对应的对应的A AD D转换后的转换后的输入值，输入值，X X表示测量值表示测量值Y Y对应的对应的A AD D转换值。转换值。 XY（ Nmin ,Ymin）（Nmax ,Ymax ）（X，Y）例：例：P218 P218 第第2 2题题某热处理炉温度变化范围为某热处理炉温度变化范围为0 0-1350-1350，经温度变送经温度变送器变换为器变换为1-5V1-5V电压送至电压送至ADC0809ADC0809，ADC0809ADC0809的输入范围的输入范围为为0-5V0-5V。当。当t=t=某值时，某值时，ADC0809ADC0809的转换结果为的转换结果为6AH6AH，问，问此时炉内温度此时
21、炉内温度t=?t=?解法一：解法一：CHAHHFFHtYNXNNYY0minminminmaxminmax97.363)33(51)6 (106)33(51)(25501350)(y解法二：解法二：)(0196. 025551205q080988VAD量化单位位V0776. 20196. 0106106DB11010100AH6压信号为：经温度变送器送来的电CXXXXo69.3630776. 1413501-0776. 20-1-50-1350，求得度，则可列方程：设炉温为l过程控制作业P101第13题l有一台DDZ-型两线制差压变送器，已知其量程为20-100kPa，当输入信号为40kPa和
22、70kPa时，变送器的输出信号分别是多少？l解： DDZ-型差压变送器输出信号：4-20mA，由于电流信号与测量信号呈线性关系，当输入信号为40kPa时，设变送器输出信号为X，可列出方程：mAXX8,2040420100420求得当输入信号为70kPa时，可列出方程：mAXX14,2070420100420求得 1. 1.线性变换公式线性变换公式 Y=(YY=(Ymaxmax-Y-Yminmin)(X-N)(X-Nminmin) )(N(Nmaxmax-N-Nminmin)+Y)+Yminmin Y Y表示参数测量值，表示参数测量值，Y Ymaxmax表示参数量程最大值，表示参数量程最大值，Y
23、 Yminmin表示表示参数量程最小值，参数量程最小值，N Nmaxmax表示表示 Y Ymaxmax对应的对应的A AD D转换后的输入值，转换后的输入值，N Nminmin表示量程起点表示量程起点Y Yminmin对应的对应的A AD D转换后的输入值，转换后的输入值，X X表示测表示测量值量值Y Y对应的对应的A AD D转换值。转换值。 2.2.公式转换法（非线性场合）公式转换法（非线性场合） 可采用直接按解析式来计算。可采用直接按解析式来计算。 3.3.其它标度变换法（非线性场合）其它标度变换法（非线性场合） 可采用多项式插值法，也可以用线性插值法或查表进行可采用多项式插值法，也可以
24、用线性插值法或查表进行标度变换。标度变换。 6.2.4 6.2.4 越限报警处理越限报警处理 越限报警是工业控制过程常见而又实用的一种报警形式，越限报警是工业控制过程常见而又实用的一种报警形式，它分为上限报警、下限报警及上下限报警。如果需要判断的报它分为上限报警、下限报警及上下限报警。如果需要判断的报警参数是警参数是x xn n，该参数的上下限约束值分别是，该参数的上下限约束值分别是x xmaxmax和和x xminmin，则上下限，则上下限报警的物理意义如下：报警的物理意义如下： (1)(1)上限报警上限报警 若若x xn nx xmaxmax，则上限报警，否则继续执行原定操作。，则上限报警
25、，否则继续执行原定操作。 (2)(2)下限报警下限报警 若若x xn nx xminmin，则下限报警，否则继续执行原定操作。，则下限报警，否则继续执行原定操作。 (3)(3)上下限报警上下限报警 若若x xn nx xmaxmax，则上限报警，否则对下式做判别；，则上限报警，否则对下式做判别； x xn nx xminmin否否? ?若是则下限报警，否则继续原定操作。若是则下限报警，否则继续原定操作。 根据上述规定，程序可以实现对被控参数根据上述规定，程序可以实现对被控参数y y、偏差、偏差e e以及控以及控制量制量u u进行上下限检查。进行上下限检查。 所谓量化，就是采用一组数码所谓量化，
26、就是采用一组数码( (如二进制码如二进制码) )来逼近离来逼近离散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。将采样信号散模拟信号的幅值，将其转换为数字信号。将采样信号转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量化动作的转换为数字信号的过程称为量化过程，执行量化动作的装置是装置是A/DA/D转换器。转换器。 2、量化6.2.5 量化误差来源量化单位12minmaxnyyq量化单位：字长为量化单位：字长为n n的的A/DA/D转换器把一定范围内变化的转换器把一定范围内变化的采样信号变换为数字采样信号变换为数字0 02 2n n-1,-1,其最低有效位（其最低有效位（LSBLSB）所）所对应的模拟量对应的模拟
27、量q q称为量化单位。称为量化单位。 量化过程实际上是一个用量化过程实际上是一个用q q去度量采样值幅值高低的小去度量采样值幅值高低的小数归整过程。如同单位一样。数归整过程。如同单位一样。由于量化过程是小数归整过程，因而存在量化误差，量化误差由于量化过程是小数归整过程，因而存在量化误差，量化误差（1/2）q，在，在A/D转换器的字长足够长，整量化误差足够小。转换器的字长足够长，整量化误差足够小。例：设模拟电压为例：设模拟电压为0 05V5V，分别采用，分别采用8 8位和位和1212位的位的A/DA/D转换器，转换器，则可表示的最小单位则可表示的最小单位q q分别是：分别是：)(2210. 11
28、2500012)(6078.191250001212minmax28minmax1mVyyqmVyyqnn 1. 1.量化误差量化误差 通过通过A AD D转换可计算出模拟电压转换可计算出模拟电压x x相当于多少个整量化相当于多少个整量化单位，即单位，即: : x=Lq+x=Lq+, ,式中式中L L为整数，为整数，对于余数对于余数(q)q)可以用截尾或舍入来处理可以用截尾或舍入来处理 。 所谓截尾就是舍掉数值中小于所谓截尾就是舍掉数值中小于q q的余数的余数(q)q)，其，其截尾误差截尾误差t t为：为：t t=x=xt t-x-x，式中，式中x x为实际数值，为实际数值，x xt t为截尾
29、后为截尾后的数值。显然的数值。显然-q-qt t00。 所谓舍入是指，当被舍掉的余数所谓舍入是指，当被舍掉的余数大于或等于量化单大于或等于量化单位的一半时，则最小有效位加位的一半时，则最小有效位加1 1；而当余数；而当余数小于量化单位小于量化单位的一半时，则舍掉的一半时，则舍掉。这时舍入误差为。这时舍入误差为r r=x=xr r-x-x，式中，式中x x为为实际数值，实际数值，x xr r舍入后的数值。显然，舍入后的数值。显然，-q/2-q/2r rq/2q/2。2.量化误差来源 从下图可以看出，产生量化误差的原因主要有以下从下图可以看出，产生量化误差的原因主要有以下几个方面：几个方面： (1
30、)A/D(1)A/D转换的量化效应转换的量化效应 (2)(2)控制规律计算中的量化效应。控制规律计算中的量化效应。 (3)(3)控制参数的量化效应控制参数的量化效应 (4)D/A(4)D/A转换的量化效应转换的量化效应-qt0-q/2rq/26.2.6 A/D6.2.6 A/D、D/AD/A及运算字长的选择及运算字长的选择 1.A/D1.A/D转换器的字长选择转换器的字长选择2.D/A2.D/A转换器的字长选择转换器的字长选择3.3.运算的字长选择运算的字长选择1.A/D1.A/D转换器的字长选择转换器的字长选择 为把量化误差限制在所允许的范围内，应使为把量化误差限制在所允许的范围内，应使A/
31、DA/D转换器转换器有足够的字长。确定字长要考虑的因素是：输入信号有足够的字长。确定字长要考虑的因素是：输入信号x x的动的动态范围和分辨率。态范围和分辨率。 (1)(1)输入信号的动态范围输入信号的动态范围 设设n n为为A/DA/D转换器字长，转换器字长，为转换当量（相当于量化单为转换当量（相当于量化单位）位） ，若已知输入信号的最大值和最小值之差，则可列出，若已知输入信号的最大值和最小值之差，则可列出方程：方程：)1 (logminmax2xxn) 12(minmaxnxx则则A/DA/D字长字长n n为：为：1.A/D1.A/D转换器的字长选择转换器的字长选择)1 (logminmax
32、2xxn9687. 8501log)5001 (log)3015001 (log222n某炉温度变化范围某炉温度变化范围0-15000-1500，要求分辨率为，要求分辨率为33，温度变送器输，温度变送器输出范围为出范围为0-5V0-5V若若A/DA/D转换器的输入范围也为转换器的输入范围也为0-5V0-5V，则求，则求A/DA/D转换转换器字长应为多少？若器字长应为多少？若A/DA/D转换器字长不变，现通过变送器零点迁转换器字长不变，现通过变送器零点迁移而将信号零点迁移到移而将信号零点迁移到600600，此时系统对炉温的分辨率为多少？，此时系统对炉温的分辨率为多少？解：由公式：解：由公式：96
33、87. 8501log)5001 (log)1001051 (log/100/131500/0-5/222nbitVbitV）（，单位为假设得得或或所以所以A/D转换器字长应为转换器字长应为10位。位。1.A/D1.A/D转换器的字长选择转换器的字长选择 为把量化误差限制在所允许的范围内，应使为把量化误差限制在所允许的范围内，应使A/DA/D转转换器有足够的字长。确定字长要考虑的因素是：输入信换器有足够的字长。确定字长要考虑的因素是：输入信号号x x的动态范围和分辨率。的动态范围和分辨率。 (2)(2)分辨率分辨率65. 7)005. 011 (log)11 (log221Dn)11 (2Dl
34、ogn分辨率：反映分辨率：反映A/DA/D转换器对输入量微小变化响应的分辨能转换器对输入量微小变化响应的分辨能力，即指能使转换后数字量变化力，即指能使转换后数字量变化1 1的最小模拟输入量。的最小模拟输入量。本书对分辨率定义：本书对分辨率定义：没有单位的注意该分辨率的定义是,121nD若已知分辨率，则字长：若已知分辨率，则字长：书上例题：温度测量范围书上例题：温度测量范围0-2000-200，要求分辨率为：，要求分辨率为：0.005，求求A/D转换器字长：转换器字长：2.D/A2.D/A转换器的字长选择转换器的字长选择)1 (logminmax21uunu umaxmax为执行机构的最大输入值
35、为执行机构的最大输入值u uminmin为执行机构的最小输入值为执行机构的最小输入值为执行机构的灵敏度为执行机构的灵敏度某执行机构的输入变化范围为某执行机构的输入变化范围为4-20mA4-20mA，灵敏度为灵敏度为0.05mA0.05mA，应选，应选D/AD/A转换器的字长是多少？转换器的字长是多少？8321log)05.0161(log)1(log22minmax2uun因此：取因此：取A/DA/D转换器字长为转换器字长为1010位。位。6.3 6.3 数字控制器的工程实现数字控制器的工程实现 6.3.1 6.3.1 给定值和被控量处理给定值和被控量处理 6.3.2 6.3.2 偏差处理偏差
36、处理 6.3.3 6.3.3 控制算法的实现控制算法的实现 6.3.4 6.3.4 控制量处理控制量处理 6.3.5 6.3.5 自动自动/ /手动切换技术手动切换技术 数字控制器算法的工程实现中，应注意的问题，由以下五数字控制器算法的工程实现中，应注意的问题，由以下五部分给出部分给出 : :6.3.1 6.3.1 给定值和被控量处理给定值和被控量处理 1. 1.给定值处理给定值处理 给定值处理包括选择给定值给定值处理包括选择给定值SVSV和给定值变化率限制和给定值变化率限制SRSR两部分。两部分。 通过选择软开关通过选择软开关CLCLCRCR，可以构成内给定状态或外给定状态；通，可以构成内给
37、定状态或外给定状态；通过选择软开关过选择软开关CASCASSCCSCC，可以构成串级控制或，可以构成串级控制或SCCSCC控制。控制。 (1)(1)内给定状态内给定状态 当软开关当软开关CLCLCRCR切向切向CLCL位置时，选择操作员设置的给定值位置时，选择操作员设置的给定值SVLSVL。这。这时系统处于单回路控制的内给定状态，利用给定值键可以改变给定值。时系统处于单回路控制的内给定状态，利用给定值键可以改变给定值。 (2) (2)外给定状态外给定状态 当软开关当软开关CLCLCRCR切向切向CRCR位置时，给定值来自上位计算机、主位置时，给定值来自上位计算机、主回路或运算模块。这时系统处于
38、外给定状态。在此状态下，可以回路或运算模块。这时系统处于外给定状态。在此状态下，可以实现以下两种控制方式。实现以下两种控制方式。 SCCSCC控制控制: :当软开关当软开关CASCASSCCSCC切向切向SCCSCC位置时，接收来自上位置时，接收来自上位计算机的给定值位计算机的给定值SVSSVS，以便实现二级计算机控制。，以便实现二级计算机控制。 串级控制串级控制: :当软开关当软开关CASCASSCCSCC切向切向CASCAS位置时，给定值位置时，给定值SVSSVS来自主调节模块，实现串级控制。来自主调节模块，实现串级控制。 (3)(3)给定值变化率限制给定值变化率限制 为了减少给定值突变对
39、控制系统的扰动，防止比例、积分饱为了减少给定值突变对控制系统的扰动，防止比例、积分饱和，以实现平稳控制，需要对给定值的变化率和，以实现平稳控制，需要对给定值的变化率SRSR加以限制。变化加以限制。变化率的选取要适中，过小会使响应变慢，过大则达不到限制的目的。率的选取要适中，过小会使响应变慢，过大则达不到限制的目的。 综上所述，在给定值处理中，共具有三个输入量综上所述，在给定值处理中，共具有三个输入量(SVL(SVL，SVCSVC，SVS)SVS)，两个输出量，两个输出量(SV(SV，CSV)CSV)，两个开关量，两个开关量(CL(CLCRCR，CASCASSCC)SCC)，一个变化率一个变化率
40、(SR)(SR)。为了便于。为了便于PIDPID控制程序调用这些量，需要给每控制程序调用这些量，需要给每个个PIDPID控制模块提供一段内存数据区，来存储以上变量。控制模块提供一段内存数据区，来存储以上变量。2.2.被控量处理被控量处理 为了安全运行，需要对被控量为了安全运行，需要对被控量PVPV进行上下限报警处理进行上下限报警处理, ,即即: : 当当PVPVPH(PH(上限值上限值) )时，则上限报警状态时，则上限报警状态(PHA)(PHA)为为“1 1”； 当当PVPVPL(PL(下限值下限值) )时，则下限报警状态时，则下限报警状态(PLA)(PLA)为为“1 1”。 当出现上、下限报
41、警状态当出现上、下限报警状态(PHA(PHA，PLA)PLA)时，它们通过驱动电路发出声或光，时，它们通过驱动电路发出声或光，以便提醒操作员注意。为了不使以便提醒操作员注意。为了不使PHAPHAPLAPLA的状态频繁改变，可以设置一定的的状态频繁改变，可以设置一定的报警死区报警死区(HY)(HY)。 为了实现平稳控制，需要对参与控制的被控量的变化率为了实现平稳控制，需要对参与控制的被控量的变化率PRPR加以限制。变加以限制。变化率的选取要适中，过小会使响应变慢，过大则达不到限制的目的。化率的选取要适中，过小会使响应变慢，过大则达不到限制的目的。 被控量处理数据区存放一个输入量被控量处理数据区存
42、放一个输入量PVPV，三个输出量，三个输出量PHAPHA、PLAPLA和和CPVCPV，四个，四个参数参数PHPH、PLPL、HYHY和和PRPR。 6.3.2 偏差处理 偏差处理分为计算偏差、偏差报警、非线性特性和输入补偿四部偏差处理分为计算偏差、偏差报警、非线性特性和输入补偿四部分，如下图所示。分，如下图所示。 1 1计算偏差：根据正反作用方式计算偏差：根据正反作用方式(D(DR)R)计算偏差计算偏差DVDV， 当当D DR=0R=0，代表正作用，此时偏差，代表正作用，此时偏差DV=CPV-CSVDV=CPV-CSV； 当当D DR=1R=1，代表反作用，此时偏差，代表反作用，此时偏差DV
43、=CSV-CPVDV=CSV-CPV； 2 2偏差报警偏差报警 ： 对于控制要求较高的对象，不仅要设置被控制量对于控制要求较高的对象，不仅要设置被控制量PVPV的上、下限报的上、下限报警，而且要设置偏差报警。警，而且要设置偏差报警。 当偏差绝对值当偏差绝对值|DV|DV|DLDL时，则偏差报警状态时，则偏差报警状态DLADLA为为“1 1”。 3 3输入补偿输入补偿 根据输入补偿方式根据输入补偿方式ICMICM状态，决定偏差状态，决定偏差DVCDVC与输入补偿量与输入补偿量ICVICV之间之间的关系，即的关系，即 当当ICM=0ICM=0，代表无补偿，此时，代表无补偿，此时CDV=DVCCDV
44、=DVC； 当当ICM=1ICM=1，代表加补偿，此时，代表加补偿，此时CDV=DVC+ICV;CDV=DVC+ICV; 当当ICM=2ICM=2，代表减补偿，此时，代表减补偿，此时CDV=DVC-ICV;CDV=DVC-ICV; 当当ICM=3ICM=3，代表置换补偿，此时，代表置换补偿，此时CDV=ICVCDV=ICV。 利用加、减输入补偿，可以分别实现前馈控制和纯滞后补偿利用加、减输入补偿，可以分别实现前馈控制和纯滞后补偿(Smith)(Smith)控制。控制。4 4非线性特性非线性特性 为了实现非线性为了实现非线性PIDPID控制或带死区的控制或带死区的PIDPID控制，设置了非线性区
45、控制，设置了非线性区- -A A至至+A+A和非线性增益和非线性增益K K，非线性特性如图所示。即，非线性特性如图所示。即 当当K=0K=0时，则为带死区的时，则为带死区的PIDPID控制；控制； 当当0 0K K1 1时，则为非线性时，则为非线性PIDPID控制；控制； 当当K=1K=1时，则为正常的时，则为正常的PIDPID控制。控制。 偏差处理数据区共存放一个输入补偿量偏差处理数据区共存放一个输入补偿量ICVICV，两个输出量，两个输出量DLADLA和和CDVCDV，两个状态量，两个状态量D DR R和和ICMICM，以及四个参数，以及四个参数DLDL、-A-A、+A+A和和K K。 6
46、.3.3 6.3.3 控制算法的实现控制算法的实现 在自动状态下，需要进行控制计算，即按照各种控制算法的差分方在自动状态下，需要进行控制计算，即按照各种控制算法的差分方程，计算控制量程，计算控制量U U，并进行上、下限限幅处理。，并进行上、下限限幅处理。 以以PIDPID控制算法为例，当软开关控制算法为例，当软开关DVDVPVPV切向切向DVDV位置时，则选用偏差微位置时，则选用偏差微分方式；当软开关分方式；当软开关DVDVPVPV切向切向PVPV位置时，则选用测量位置时，则选用测量( (即被控量即被控量) )微分方微分方式。式。 在在PIDPID计算数据区，不仅要存放计算数据区，不仅要存放P
47、IDPID参数参数(K(KP P或或，T TI I，T TD D) )和采控制周和采控制周期期T T，还要存放微分方式，还要存放微分方式DVDVPVPV、积分分离值、积分分离值，控制量上限限值，控制量上限限值MHMH和下和下限限值限限值MLML，以及控制量，以及控制量U UK K。为了进行递推运算，还应保存历史数据，如。为了进行递推运算，还应保存历史数据，如e(k-1)e(k-1)、e(k-2)e(k-2)和和u(k-1)u(k-1)。6.3.4 6.3.4 控制量处理控制量处理 在输出控制量在输出控制量U UK K以前，还应经过各项处理和判断，以便扩展控制功以前，还应经过各项处理和判断，以便
48、扩展控制功能，实现安全平稳操作。能，实现安全平稳操作。 1 1输出补偿：根据输出补偿方式输出补偿：根据输出补偿方式OCMOCM的状态，决定控制量的状态，决定控制量UKUK与输出与输出补偿量补偿量OCVOCV之间的关系，即：之间的关系，即： 当当OCM=0,OCM=0,代表无补偿，此时代表无补偿，此时U Uc c=U=Uk k； 当当OCM=1,OCM=1,代表加补偿，此时代表加补偿，此时U Uc c=U=Uk k+OCV+OCV； 当当OCM=2,OCM=2,代表减补偿，此时代表减补偿，此时U Uc c=U=Uk k-OCV;-OCV; 当当OVM=3OVM=3，代表置换补偿，此时，代表置换补
49、偿，此时U Uc c=OCV.=OCV. 利用输出和输入补偿，可以扩大实际应用范围，灵活组成复杂的数利用输出和输入补偿，可以扩大实际应用范围，灵活组成复杂的数字控制器，以便组成复杂的自动控制系统。字控制器，以便组成复杂的自动控制系统。 2 2变化率限制：为了实现平稳操作，需要对控制量的变化变化率限制：为了实现平稳操作，需要对控制量的变化率率MRMR加以限制。变化率的选取要适中，过小会使操作缓慢，过加以限制。变化率的选取要适中，过小会使操作缓慢，过大则达不到限制的目的。大则达不到限制的目的。 3 3输出保持：当软开关输出保持：当软开关FHFHNHNH切向切向NHNH位置时，现时刻的控位置时，现时
50、刻的控制量制量u(k)u(k)等于前一时刻的控制量等于前一时刻的控制量u(k-1)u(k-1)，也就是说，输出控制，也就是说，输出控制量保持不变。当软开关量保持不变。当软开关FHFHNHNH切向切向FHFH位置时，又恢复正常输出位置时，又恢复正常输出方式。软开关方式。软开关FHFHNHNH状态一般来自系统安全报警开关。状态一般来自系统安全报警开关。 4 4安全输出：当软开关安全输出：当软开关FSFSNSNS切向切向NSNS位置时，现时刻的控位置时，现时刻的控制量等于预置的安全输出量制量等于预置的安全输出量MSMS。当软开关。当软开关FSFSNSNS切向切向FSFS位置时，位置时，又恢复正常输出
