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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢,第章 应用程序设计与实现技术,6.1,程序设计技术,6.2,测量数据预处理技术,6.3,数字控制器工程实现,6.4,系统有限字长数值问题,软件是工业控制机程序系统，,它可分为,系统软件,和,应用软件,。,所谓,应用软件,就是面向控制系统本身程序，它是依据系统详细要求，由,用户自己设计,。,软件设计方法：利用,计算机语言,自己编制需要应用程序；利用,组态软件,。,第1页,6.1,程序设计技术,6.1.1,模块化与结构化程序设计,6.1.2,面向过程与面向对象程序设计,6.1.3,高级语言,I/O,控制台编程,第2页,6.1.1,模块化与结构化程序设计,一个完整程序设计过程能够用左图来说明。,首先要分析用户要求，这大约占整个程序设计工作量,10%,；,然后编写程序说明，这大约也占,10%,；,接着进行程序设计与编码，这大约占,30%,左右，其中设计与编码几乎各占,15%,；,最终进行测试和调试，这要花费整个程序设计工作量,40%,以上。,第3页,1.,模块化程序设计,（,1,）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。这些模块正常工作后，就能够用它们来开发较高层模块。这种方法,是汇编语言设计惯用方法,。,（,2,）自顶向下模块化设计,首先对最高层进行编码、测试和调试。为了测试这些最高层模块，能够用,“,结点,”,来代替还未编码较低层模块，这些,“,结点,”,输入和输出满足程序说明部分要求，但功效少得多。,该方法普通,适适用高级语言来设计程序,。,第4页,2.,结构化程序设计,1966,年，,C.Bohm,和,G.Jacopini,证实了只用三种基本控制结构就能实现任何单入口单出口程序。这三种基本控制结构是,“,次序,”,、,“,选择,”,、,“,循环,”,。如右图所表示。,第5页,6.1.2,面向过程与面向对象程序设计,1.,面向过程程序设计及其不足,过程式程序设计是面向功效。首先要定义所要实现功效，然后设计为实现这些功效所要执行步骤。这些步骤就是过程。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。这就是过程式编程中,“,逐步求精,”,过程。,这种方式不利于中大型软件开发与维护，小部分数据或功效改变会包括到很多相关程序。,2.,面向对象程序设计,以上两种方法在概念上存在以下主要区分：,（,1,）模块与对象,（,2,）过程调用和消息传递,（,3,）类型和类,（,4,）静态链接和动态链接,第6页,6.1.3,高级语言,I/O,控制台编程,对于,PC,总线工业控制机，我们以,Turbo C,为例来说明其访问,I/O,端口编程。,Turbo C,通常有库函数，允许直接访问,I/O,端口，头文件,conio.h,中定义了,I/O,端口例程。,比如,：,a=inportw(0 x210),b=,inportb(0 x220),第一条指令表示将端口,210H,16,位二进制数,(,一个字,),输入给变量,a,，第二条指令表示将端口,220H,8,位二进制数,(,一个字节,),输入给变量,b,。在,C,语言中，,0 x,起头是,16,进制数。,又如：,outportw(0 x230,0 x3435),outportb(0 x240,0 x26),第一条指令表示将二字节数,3435H,输出到端口,230H,中，第二条指令表示将单字节数,26H,输出到端口,240H,中。,第7页,6.2,测量数据预处理技术,6.2.1,误差自动校准,6.2.2,线性化处理和非线性赔偿,6.2.3,标度变换方法,6.2.4,越限报警处理,6.2.5,量化误差起源,6.2.6 A/D,、,D/A,及运算字长选择,传感器把生产过程信号转换成电信号，然后用,A,D,转换器把模拟信号变成数字信号，读入计算机中。对于这么得到数据，普通要进行一些预处理，其中最基本处理有,线性化处理,、,标度变换,和,误差自动校准,。,第8页,6.2.1,误差自动校准,系统误差,定义：,是指在相同条件下，经过屡次测量，误差数值,(,包含大小符号,),保持恒定，或按某种已知规律改变误差。,特点：,在一定测量条件下，其改变规律是能够掌握，产生误差原因普通也是知道。,方法：,偏移校准在实际中应用最多，而且常采取,程序,来实现，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,一组输入电压上进行测量，测出这时输入值为,x,1,然后把多路开关输入接地，测出,零输入,时,A,D,转换器输出为,x,0,，用,x,1,减去,x,0,即为实际输入电压,x,。图,6-3,除了数字调零外，还能够采取偏移和增益误差,自动校准,。,第9页,1.,全自动校准,采取这种方法测得,V,与放大器漂移和增益改变无关，与,V,和,R,精度也无关。这么可大大提升测量精度，降低对电路器件要求。,先把,开关接地,，测出这时输入值,x,0,，然后把开关接,基准电压,VR,，测出输入值,x,1,，并存放,x,1,、,x,0,，在,正式测量,时，如测出输入值为,x,，则这时,V,可用下式计算,全自动校准只适于基准参数是,电信号,场所，而且不能校正由,传感器,引入误差。为克服这种缺点，采取人工自动校准。,自动校准：自动测量基准参数，计算误差模型，取得并存放误差赔偿因子,。,第10页,2.,人工自动校准,人工自动校准只测一个,标准输入信号,y,R,，零信号赔偿由数字调零来完成。,设数字调零后测出数据分别为,x,R,(,接校准输入,y,R,时,),和,x(,接被测输入,y,时,),，则可按下式来计算,y,。,假如在校按时，计算并存放,y,R,x,R,值，则测量校按时，只需行一次乘法即可。有时也可用,y,i,代替,y,R,人工自动校准尤其适于,传感器特征,随时间会发生改变场所。如惯用湿敏电容等湿度传感器。,第11页,6.2.2,线性化处理和非线性赔偿,1,铂热电阻阻值与温度关系,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。,2,热电偶热电势与温度关系,与热电阻方法相同。测量参数为热电偶,热电势,。,3,孔板差压与流量关系,4,气体体积流量非线性赔偿,第12页,6.2.2,线性化处理和非线性赔偿,过程控制作业,P102,第,30,题,已知热电偶分度号为,K,工作时冷端温度为,30,，测得,热电势,以后，,错用,E,分度表查得工作端温度,715.2,，试求工作端实际温度是多少？,解：首先求出工作端温度,相对,0,冷端,热电势值，设该值为,X,，按,E,分度表,，可列出方程：,再经过查,K,型,热电偶分度表,可求得工作端实际温度,t,第13页,6.2.3,标度变换方法,在工业测控系统中，如，压力单位为,Pa,，流量单位为,m,3,h,，温度单位为等，这些参数经传感器和,A,D,转换后得到一系列数码，这些数码值并不一定等于原来带有量纲参数值，它仅仅对应于参数值大小，故必须把它,转换成带有量纲工程值,后才能运算、显示或打印输出，这种转换就是,标度变换,。,标度变换有各种类型，它取决于被测参数传感器类型，应依据实际要求来选取适当标度变换方法。,1,线性变换公式,2,公式转换法,3,其它标度变换法,第14页,1.,线性变换公式（,前提,：参数值与,A/D,转换结果为线性关系）,Y=(Y,max,-Y,min,)(X-N,min,),(N,max,-N,min,)+Y,min,Y,表示参数测量值，,Y,max,表示参数量程最大值，,Y,min,表示参数量程最小值，,N,max,表示,Y,max,对应,A,D,转换后输入值，,N,min,表示量程起点,Y,min,对应,A,D,转换后输入值，,X,表示测量值,Y,对应,A,D,转换值。,X,Y,（,N,min,Y,min,）,（,N,max,Y,max,）,（,X,，,Y,）,第15页,例：,P218,第,2,题,某热处理炉温度改变范围为,0,-1350,，,经温度变送器变换为,1-5V,电压送至,ADC0809,，,ADC0809,输入范围为,0-5V,。当,t=,某值时，,ADC0809,转换结果为,6AH,，问此时炉内温度,t=?,解法一：,解法二：,第16页,过程控制,作业,P101,第,13,题,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,70kPa,时，变送器输出信号分别是多少？,解：,DDZ-,型差压变送器输出信号：,4-20mA,，因为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：,当输入信号为,70kPa,时，可列出方程：,第17页,1.,线性变换公式,Y=(Y,max,-Y,min,)(X-N,min,),(N,max,-N,min,)+Y,min,Y,表示参数测量值，,Y,max,表示参数量程最大值，,Y,min,表示参数量程最小值，,N,max,表示,Y,max,对应,A,D,转换后输入值，,N,min,表示量程起点,Y,min,对应,A,D,转换后输入值，,X,表示测量值,Y,对应,A,D,转换值。,2.,公式转换法（,非线性场所,）,可采取直接按解析式来计算。,3.,其它标度变换法（,非线性场所,）,可采取多项式插值法，也能够用线性插值法或查表进行标度变换。,第18页,6.2.4,越限报警处理,越限报警是工业控制过程常见而又实用一个报警形式，它分为,上限报警,、,下限报警,及,上下限报警,。假如需要判断报警参数是,x,n,，该参数上下限约束值分别是,x,max,和,x,min,，则上下限报警物理意义以下：,(1),上限报警,若,x,n,x,max,，则上限报警，不然继续执行原定操作。,(2),下限报警,若,x,n,x,min,，则下限报警，不然继续执行原定操作。,(3),上下限报警,若,x,n,x,max,，则上限报警，不然对下式做判别；,x,n,x,min,否,?,若是则下限报警，不然继续原定操作。,依据上述要求，程序能够实现对被控参数,y,、偏差,e,以及控制量,u,进行上下限检验。,第19页,所谓量化，就是采取一组数码,(,如二进制码,),来迫近离散模拟信号幅值，将其转换为数字信号。将采样信号转换为数字信号过程称为量化过程，执行量化动作装置是,A/D,转换器。,2,、量化,6.2.5,量化误差起源,第20页,量化单位,量化单位：字长为,nA/D,转换器把,一定范围内,改变采样信号变换为数字,0,2,n,-1,其,最低有效位,（,LSB,）所对应,模拟量,q,称为量化单位。,量化过程实际上是一个用,q,去度量采样值幅值高低小数归整过程。如同单位一样。,因为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,A/D,转换器字长足够长，整量化误差足够小。,例：设模拟电压为,0,5V,，分别采取,8,位和,12,位,A/D,转换器，,则可表示最小单位,q,分别是：,第21页,1.,量化误差,经过,A,D,转换可计算出模拟电压,x,相当于多少个整量化单位，即,:,x=Lq+,式中,L,为整数，,对于余数,(,q),能够用,截尾或舍入,来处理。,所谓,截尾,就是舍掉数值中小于,q,余数,(,q),，其截尾误差,t,为：,t,=x,t,-x,，式中,x,为实际数值，,x,t,为截尾后数值。显然,-q,t,0,。,所谓,舍入,是指，当被舍掉余数,大于或等于,量化单位,二分之一,时，则最小有效位,加,1,；而当余数,小于量化单位,二分之一,时，则舍掉,。这时舍入误差为,r,=x,r,-x,，式中,x,为实际数值，,x,r,舍入后数值。显然，,-q/2,r,q/2,。,第22页,2.,量化误差起源,从下列图能够看出，产生量化误差原因主要有以下几个方面：,(1)A/D,转换量化效应,(2),控制规律计算中量化效应。,(3),控制参数量化效应,(4)D/A,转换量化效应,-q,t,0,-q/2,r,q/2,第23页,6.2.6 A/D,、,D/A,及运算字长选择,1.A/D,转换器字长选择,2.D/A,转换器字长选择,3.,运算字长选择,第24页,1.A/D,转换器字长选择,为把量化误差限制在所允许范围内，应使,A/D,转换器有,足够字长,。确定字长要考虑原因是：输入信号,x,动态范围和分辨率。,(1),输入信号动态范围,设,n,为,A/D,转换器字长，,为转换当量（,相当于量化单位,）,，若已知输入信号最大值和最小值之差，则可列出方程：,则,A/D,字长,n,为：,第25页,1.A/D,转换器字长选择,某炉温度改变范围,0-1500,，要求,分辨率,为,3,，温度变送器输出范围为,0-5V,若,A/D,转换器输入范围也为,0-5V,，则求,A/D,转换器字长应为多少？若,A/D,转换器字长不变，现经过变送器零点迁移而将信号零点迁移到,600,，此时系统对炉温分辨率为多少？,解：由公式：,得,或,所以,A/D,转换器字长应为,10,位。,第26页,1.A/D,转换器字长选择,为把量化误差限制在所允许范围内，应使,A/D,转换器有,足够字长,。确定字长要考虑原因是：输入信号,x,动态范围和分辨率。,(2),分辨率,分辨率,：反应,A/D,转换器对输入量微小改变响应分辨能力，即指能使,转换后数字量改变,1,最小模拟输入量,。,本书对分辨率定义：,若已知分辨率，则字长：,书上例题：温度测量范围,0-200,，要求分辨率为：,0.005,，,求,A/D,转换器字长：,第27页,2.D/A,转换器字长选择,u,max,为执行机构最大输入值,u,min,为执行机构最小输入值,为执行机构灵敏度,某执行机构输入改变范围为,4-20mA,，,灵敏度为,0.05mA,，应选,D/A,转换器字长是多少？,所以：取,A/D,转换器字长为,10,位。,第28页,6.3,数字控制器工程实现,6.3.1,给定值和被控量处理,6.3.2,偏差处理,6.3.3,控制算法实现,6.3.4,控制量处理,6.3.5,自动,/,手动切换技术,数字控制器算法工程实现中，应注意问题，由以下五部分给出,:,第29页,6.3.1,给定值和被控量处理,1.,给定值处理,给定值处理包含选择,给定值,SV,和给定值改变率限制,SR,两部分。,经过选择软开关,CL,CR,，能够组成内给定状态或外给定状态；经过选择软开关,CAS,SCC,，能够组成串级控制或,SCC,控制。,(1),内给定状态,当软开关,CL,CR,切向,CL,位置时，选择操作员设置给定值,SVL,。这时系统处于单回路控制内给定状态，利用给定值键能够改变给定值。,第30页,(2),外给定状态,当软开关,CL,CR,切向,CR,位置时，给定值来自上位计算机、主回路或运算模块。这时系统处于外给定状态。在此状态下，能够实现以下两种控制方式。,SCC,控制,:,当软开关,CAS,SCC,切向,SCC,位置时，接收来自上位计算机给定值,SVS,，方便实现二级计算机控制。,串级控制,:,当软开关,CAS,SCC,切向,CAS,位置时，给定值,SVS,来自主调整模块，实现串级控制。,(3),给定值改变率限制,为了降低给定值突变对控制系统扰动，预防百分比、积分饱和，以实现平稳控制，需要对给定值改变率,SR,加以限制。改变率选取要适中，过小会使响应变慢，过大则达不到限制目标。,总而言之，在给定值处理中，共含有三个输入量,(SVL,，,SVC,，,SVS),，两个输出量,(SV,，,CSV),，两个开关量,(CL,CR,，,CAS,SCC),，一个改变率,(SR),。为了便于,PID,控制程序调用这些量，需要给每个,PID,控制模块提供一段内存数据区，来存放以上变量。,第31页,2.,被控量处理,为了安全运行，需要对,被控量,PV,进行上下限报警处理,即,:,当,PV,PH(,上限值,),时，则上限报警状态,(PHA),为,“,1,”,；,当,PV,PL(,下限值,),时，则下限报警状态,(PLA),为,“,1,”,。,当出现上、下限报警状态,(PHA,，,PLA),时，它们经过驱动电路发出声或光，方便提醒操作员注意。为了不使,PHA,PLA,状态频繁改变，能够设置一定,报警死区,(HY),。,为了实现平稳控制，需要对参加控制被控量改变率,PR,加以限制。改变率选取要适中，过小会使响应变慢，过大则达不到限制目标。,被控量处理数据区存放一个输入量,PV,，三个输出量,PHA,、,PLA,和,CPV,，四个参数,PH,、,PL,、,HY,和,PR,。,第32页,6.3.2,偏差处理,偏差处理分为计算偏差、偏差报警、非线性特征和输入赔偿四部分，以下列图所表示。,1,计算偏差：依据正反作用方式,(D,R),计算偏差,DV,，,当,D,R=0,，代表正作用，此时偏差,DV=CPV-CSV,；,当,D,R=1,，代表反作用，此时偏差,DV=CSV-CPV,；,2,偏差报警：,对于控制要求较高对象，不但要设置被控制量,PV,上、下限报警，而且要设置偏差报警。,当偏差绝对值,|DV|,DL,时，则偏差报警状态,DLA,为,“,1,”,。,第33页,3,输入赔偿,依据输入赔偿方式,ICM,状态，决定偏差,DVC,与输入赔偿量,ICV,之间关系，即,当,ICM=0,，代表无赔偿，此时,CDV=DVC,；,当,ICM=1,，代表加赔偿，此时,CDV=DVC+ICV;,当,ICM=2,，代表减赔偿，此时,CDV=DVC-ICV;,当,ICM=3,，代表置换赔偿，此时,CDV=ICV,。,利用加、减输入赔偿，能够分别实现前馈控制和纯滞后赔偿,(Smith),控制。,4,非线性特征,为了实现非线性,PID,控制或带死区,PID,控制，设置了非线性区,-A,至,+A,和非线性增益,K,，非线性特征如图所表示。即,当,K=0,时，则为带死区,PID,控制；,当,0,K,1,时，则为非线性,PID,控制；,当,K=1,时，则为正常,PID,控制。,偏差处理数据区共存放一个输入赔偿量,ICV,，两个输出量,DLA,和,CDV,，两个状态量,D,R,和,ICM,，以及四个参数,DL,、,-A,、,+A,和,K,。,第34页,6.3.3,控制算法实现,在自动状态下，需要进行控制计算，即按照各种控制算法差分方程，计算控制量,U,，并进行上、下限限幅处理。,以,PID,控制算法为例，当软开关,DV,PV,切向,DV,位置时，则选取偏差微分方式；当软开关,DV,PV,切向,PV,位置时，则选取测量,(,即被控量,),微分方式。,在,PID,计算数据区，不但要存放,PID,参数,(K,P,或,，,T,I,，,T,D,),和采控制周期,T,，还要存放微分方式,DV,PV,、积分分离值,，控制量上限限值,MH,和下限限值,ML,，以及控制量,U,K,。为了进行递推运算，还应保留历史数据，如,e(k-1),、,e(k-2),和,u(k-1),。,第35页,6.3.4,控制量处理,在输出控制量,U,K,以前，还应经过各项处理和判断，方便扩展控制功效，实现安全平稳操作。,1,输出赔偿：依据输出赔偿方式,OCM,状态，决定控制量,UK,与输出赔偿量,OCV,之间关系，即：,当,OCM=0,代表无赔偿，此时,U,c,=U,k,；,当,OCM=1,代表加赔偿，此时,U,c,=U,k,+OCV,；,当,OCM=2,代表减赔偿，此时,U,c,=U,k,-OCV;,当,OVM=3,，代表置换赔偿，此时,U,c,=OCV.,利用输出和输入赔偿，能够扩大实际应用范围，灵活组成复杂数字控制器，方便组成复杂自动控制系统。,第36页,2,改变率限制：为了实现平稳操作，需要对控制量改变率,MR,加以限制。改变率选取要适中，过小会使操作迟缓，过大则达不到限制目标。,3,输出保持：当软开关,FH,NH,切向,NH,位置时，现时刻控制量,u(k),等于前一时刻控制量,u(k-1),，也就是说，输出控制量保持不变。当软开关,FH,NH,切向,FH,位置时，又恢复正常输出方式。软开关,FH,NH,状态普通来自系统安全报警开关。,4,安全输出：当软开关,FS,NS,切向,NS,位置时，现时刻控制量等于预置安全输出量,MS,。当软开关,FS,NS,切向,FS,位置时，又恢复正常输出方式。软开关,FS,NS,状态普通来自系统安全报警开关。,控制量处理数据区需要存放输出赔偿量,OCV,和赔偿方式,OCM,，改变率限制值,MR,，软开关,FH,NH,和,FS,NS,，安全输出量,MS,，以及控制量,CMV,。,第37页,6.3.5,自动手动切换技术,在正常运行时，系统处于自动状态；而在调试阶段或出现故障时，系统处于手动状态。下列图为自动,/,手动切换处理框图。,1.,软自动,软手动,当软开关,SA,SM,切向,SA,位置时，系统处于正常自动状态，称为软自动,(SA),；反之，切向,SM,位置时，控制量来自操作键盘或上位计算机，此时系统处于计算机手动状态，称为软手动,(SM),。普通在调试阶段，采取软手动,(SM),方式。,第38页,2.,控制量限幅,为了确保执行机构工作在有效范围内，需要对控制量,U,s,进行上、下限限幅处理，使得,MLMVMH,，再经,D,A,转换器输出,0,10mADC,或,4,20mADC,。,3.,自动,手动,对于普通计算机控制系统，可采取手动操作器作为计算机后备操作。当切换开关处于,HA,位置时，控制量,MV,经过,D,A,输出，此时系统处于正常计算机控制方式，称为自动状态,(HA,状态,),；反之，若切向,HM,位置，则计算机不再负担控制任务，由运行人员经过手动操作器输出,0,10mADC,或,4,20mADC,信号，对执行机构进行远方操作，这称为手动状态,(HM,状态,),。,第39页,4.,无平衡无扰动切换,所谓,无平衡无扰动切换,，是指在进行手动到自动或自动到手动切换之前，,无须由人工进行,手动输出控制信号与自动输出控制信号之间,对位平衡操作,，就能够确保切换时不会对执行机构现有位置产生扰动。（,1,）从手动到自动无平衡操作无扰动切换,（,2,）从自动,(SA,与,HA),切向软手动,(SM),时无扰动切换。,（,3,）从输出保持状态或安全输出状态切向正常自开工作状态时，一样需要进行无扰动切换。,自动手动切换数据区需要存放软手动控制量,SMV,，软开关,SA,SM,状态，控制量上限限值,(MH),和下限限值,(ML),，控制量,MV,，切换开关,HA,HM,状态，以及手动操作器输出,VM,。,第40页,以上讨论了,PID,控制程序各部分功效及对应数据区。完整,PID,控制模块数据区除了上述各部分外，还有被控量量程上限,RH,和量程下限,RL,，工程单位代码、采样,(,控制,),周期等。该数据区是,PID,控制模块存在标志，可把它看作是数字,PID,控制器实体。只有正确地填写,PID,数据区后，才能实现,PID,控制系统。,采取上述数字控制器，不但能够组成单回路控制系统，而且能够组成串级、前馈、纯滞后赔偿,(Smith),等复杂控制系统，对于后面两种系统还应增加赔偿器运算模块。利用该控制模块和各种功效运算模块组合，能够组成各种控制系统来满足生产过程控制要求。,第41页,6.4,软件抗干扰技术,1.,测控系统软件基本要求,（,1,）易了解、易维护,指软件系统轻易阅读和了解，轻易发觉和纠正错误，轻易修改和补充。,（,2,）实时性,要求系统及时响应外部事件发生，并及时给出处理结果。,（,3,）可测试性,两方面含义：其一是比较轻易制订出测试准则，并依据这些准则对软件进行测试；其二软件设计完成后，首先在模拟环境下运行，经过静态分析和动态仿真运行，证实正确无误后才可投入实际运行。,第42页,（,4,）准确性,算法选择、位数选择等要符合要求。,（,5,）可靠性,最主要指标之一，两方面含义：第一是运行参数环境发生改变时，软件能可靠运行并给出准确结果，即软件应含有自适应性；第二是工业环境极其恶劣，干扰严重，软件必须确保在严重干扰条件下也能可靠运行。,第43页,2.,软件抗干扰研究,主要内容,(1),采取软件方法,抑制叠加,在输入输出信号上,噪声影响,，如模拟输入信号数字滤波技术；,(2),因为干扰而使程序发生混乱，造成程序乱飞或陷入死循环，采取,使程序纳入正规,办法，如指令冗余、软件陷阱、,“,看门狗,”,技术等；,(3),发觉程序失控后，处理,系统恢复正常运行,方法，如主要信息恢复，系统重入条件等；,第44页,(3),数字滤波器能够依据信号不一样，采取,不一样滤波方法,或滤波参数，含有灵活、方便、功效强特点。,6.4.1,数字滤波技术,所谓,数字滤波,，就是经过一定计算或判断程序降低干扰在有用信号中比重。故实质上它是一个,程序滤波,。,与模拟滤波器相比，有以下几个,优点,:,(1),数字滤波是用程序实现，,不需要增加硬设备,，所以可靠性高，稳定性好。,(2),数字滤波能够,对频率很低,(,如,0,01HZ),信号实现,滤波,，克服了模拟滤波器缺点。,主要数字滤波算法：算术平均值法、中位值滤波法、限幅滤波法、惯性滤波法,第45页,1.,算术平均值法,第术平均值法是对输入,N,个采样数据,xi(i=1,N),，寻找这么一个,y,，使,y,与,各采样值间偏差平方和为最小,，使,由一元函数求极值原理可得：,第46页,例：某压力仪表采样数据以下：,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,24,25,20,27,24,60,24,25,26,23,序 号,采样值,采样数据显著存在,被干扰,现象（彩色数据）。,采取算术平均值滤波后，其采样值为：,Y=(24+25+20+27+24+60+24+25+,26+23)/10=,28,干扰被平均到采样值中去了,第47页,3,）平均值滤波法普通适合用于含有周期性干扰噪声信号，但对偶然出现脉冲干扰信号，滤波效果尚不理想。,特点：,1,）,N,值决定了信号平滑度和灵敏度。伴随,N,增大，平滑度提升，灵敏度降低。应该视详细情况选择,N,，方便得到满意滤波效果。,2,）,对每次采样值给出相同加权系数，即,1/N,。在不一样采样时刻采集数据受到一样重视。实际上一些场所需要增加新采样值在平均值中比重，可采取,加权平均值滤波法,。滤波公式为：,Y=R,0,Y,0,+R,1,Y,1,+R,2,Y,2,+,+RmYm,。,第48页,2.,中位值滤波法,中位值滤波法原理是对被测参数连续采样,m,次,(m3),且是,奇数,，并按大小次序排列；再,取中间值,作为此次采样有效数据。,特点,:,中位值滤波法对脉冲干扰信号等,偶然原因引发干扰有良好滤波效果,。如对温度、液位等改变迟缓被测参数采取此法会收到良好滤波效果；对流量、速度等快速改变参数普通不宜采取中位值滤波法,中位值滤波法和平均值滤波法结合起来使用，滤波效果会更加好。即在每个采样周期，先用中位值滤波法得到,m,个滤波值，再对这,m,个滤波值进行算术平均，得到可用被测参数。也称为,去脉冲干扰平均值滤波法,.,第49页,1,2,3,4,5,6,7,8,9,24,25,20,27,24,60,24,25,26,例：某压力仪表采样数据以下：,序 号,采样值,采样数据显著存在,被干扰,现象（彩色数据）。,采取去脉冲干扰平均值滤波后，其采样值为：,25,对,1,、,2,、,3,次采样中位值滤波后值：,24,对,4,、,5,、,6,次采样中位值滤波后值：,27,对,7,、,8,、,9,次采样中位值滤波后值：,25,第50页,3.,限幅滤波法,因为大随机干扰或采样器不稳定，使得采样数据偏离实际值太远，为此,采取上、下限限幅,，即,当,y(n)y,H,时，则取,y(n)=y,H,(,上限值,),；,当,y(n)y,L,时，则取,y(n)=y,L,(,下限值,),；,当,y,L,y(n),y,H,时，则取,y(n),。,而且采取限速,(,亦称,限制改变率,),，即,当,|y(n)-y(n-1)|y,0,时，则取,y(n);,当,|y(n)-y(n-1)|,y,0,时，则取,y(n)=y(n-1),。,其中,y,0,为两次相邻采样值之差可能最大改变量。,y,0,值选取，取决于采样周期,T,及被测参数,y,应有正常改变率。所以，,一定要按照实际情况来确定,y,0,、,y,H,及,y,L,，,不然，非但达不到滤波效果，反而会降低控制品质。,第51页,4.,惯性滤波法,RC,滤波器传递函数是,其中,T,f,=RC,它滤波效果取决于滤波时间常数,T,f,。所以，,RC,滤波器不可能对极低频率信号进行滤波。为此，人们模仿上式做成一阶惯性滤波器亦称低通滤波器。,即将上式写成差分方程,稍加整理得,其中，,称为滤波系数，且,0,1,，,T,s,为采样周期，,T,f,为滤波器时间常数。,依据惯性滤波器频率特征，若滤波系数,越大，则带宽越窄,，滤波频率也越低。所以，需要依据实际情况，适当选取,值，使得被测参数既不出现显著纹波，反应又不太迟缓。,第52页,6.4.2,开关量软件抗干扰技术,2.,开关量,(,数字量,),信号,输出,抗干扰办法,在软件上，最为有效方法就是,重复输出同一个数据,。只要有可能，其重复周期尽可能短些。,输出设备是电位控制型还是同时锁存型，对干扰敏感性相差较大。前者有良好抗,“,毛刺,”,干扰能力，后者不耐干扰，当锁存线上出现干扰时，它就会盲目锁存当前数据，也不论此时数据是否有效。,1.,开关量,(,数字量,),信号,输入,抗干扰办法,干扰信号多呈毛刺状，作用时间短，利用这一特点，我们在采集某一开关量信号时，可,屡次重复采集,，直到连续两次或两次以上,结果完全一致,方为有效。,第53页,6.4.3,指令冗余技术,CPU,受干扰后，往往将操作数看成操作码执行，造成程序混乱。,当程序弹飞到一单字节指令上时，便自动纳入正轨；,当程序弹飞到一双字节指令上时（操作码、操作数），有可能落到操作数上，从而继续犯错；,当程序弹飞到一三字节指令上时（操作码、操作数、操作数），因其有两个操作数，从而继续犯错机会更大。,应多采取单字节指令，并在关键地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重复书写，提升弹飞程序纳入正轨机会，这便是指令冗余。,实现方法,：,在一些对程序流向起决定作用,指令之前,插入两条,NOP,指令，以确保弹飞程序快速纳入正确控制轨道。这些指令有：,RET,、,RETI,、,LCALL,、,LJMP,、,JZ/JNZ,、,JC/JNC,、,JB/JNB,、,JBC,、,CJNE,、,DJNZ,等。,第54页,如：利用减法比较两无符号数大小程序（数放,A,、,B,中）：,无指令冗余程序,：,CLRC,SUBBA,B,JCBBIG,BBIG,:NOP,.,有指令冗余情况：,CLRC,SUBBA,B,NOP,NOP,JCBBIG,BBIG,:NOP,.,指令冗余缺点：,降低指令执行效率,第55页,指令冗余特点,：,1.,降低正常程序执行效率；,2.,能够降低程序弹飞次数，使其很快纳入程序轨道，使,CPU,按“操作码、操作数”方式运行，但不能确保失控期间不干坏事，更不能确保程序纳入正常轨道后太平无事。因为弹飞程序已经偏离正常次序，做了不该做事。处理这个问题还要靠软件容错技术，降低或毁灭程序误动作。,3.,指令冗余使弹飞程序安定下来是有条件，首先弹飞程序要落到程序区，其次必须执行到冗余指令。,当程序弹飞到非程序区时，或弹飞程序碰到冗余指令前已形成死循环，都会使冗余指令失去作用。,第56页,6.4.4,软件陷阱技术,所谓软件陷阱,，就是一条引导指令，强行将扑获程序引向一个指定地址，在那里有一段专门对程序犯错进行处理程序。,软件陷阱由三条指令组成：,NOP,NOP,LJMP ERR ;ERR,错误处理程序入口,软件陷阱安排在以下四种地方：,1,）未使用中止向量区,2,）未使用大片,ROM,区,3,）表格区尾部,4,）程序区,第57页,本章节课程到此结束！,第58页,
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