电气工程及其自动化 计算机控制技术PPT课件_6 控制系统的数据处理技术.ppt

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控制系统的数据处理技术,主要内容,程序设计技术测量数据的预处理技术查表与数据排序技术软件抗干扰技术,软件分为系统软件、应用软件应用软件的设计主要包括以下几个模块：

系统界面模块、采集模块、控制模块、数据处理模块、打印显示模块、数据存储模块、数据传输模块等,6.1程序设计技术,6.1.1程序设计的步骤与方法程序设计步骤一个完整的程序设计过程由几部分组成。

（1）拟定设计任务书

（2）建立数学模型并确定算法（3）程序的总体设计及其流程图（4）编写源程序（5）源程序的编译与调试（6）系统软件的整体运行与测试（7）总结归纳进一步编写程序说明文件,程序设计方法程序设计时一般遵循模块化与结构化的程序设计思想。

模块化程序设计结构化程序设计方法,模块化程序设计,模块化程序设计是把一个较长的复杂的程序分成若干个功能模块或子程序，每个功能模块执行单一的功能。

模块化程序设计的两种设计思路自底向上自顶向下,结构化程序设计方法,结构化程序设计的概念最早由DijkstraEW提出。

1965年他在一次会议上指出：

“可以从高级语言中取消GOTO语句”，“程序的质量与程序中所包含的GOTO语句的数量成反比。

”1966年的BohmC和JacopiniG证明了只用三种基本的结构就能实现任何单入口单出口的程序。

这三种基本的控制结构是“顺序”、“选择”、“循环”。

缺点:

（1）数据与处理数据的方法（函数）相分离。

这使得对函数的理解变得很难。

（2）可重用性差。

作为软件公司，都希望设计的程序具有可重用性，即能否建立一些具有已知特性的部件，应用程序通过部件组装即可得到一个新的系统。

结构化程序设计是一种程序设计技术，它采用自顶向下逐步求精的设计方法和单入口单出口的控制结构。

在总体设计阶段采用自顶向下逐步求精的方法，可以把一个复杂问题的解法分解和细化成一个由许多模块组成的层次结构的软件系统。

特点:

程序设计方法简单，设计出来的程序可读性强，容易理解，便于维护，是面向对象程序设计的基础，结构化程序设计可以表示成如下的公式：

数据操作流程控制结构化程序设计方法,“组态”的概念最早来自英文，其含义“Configuration”是使用软件工具对计算机及软件的各种资源进行配置（包括进行对象的定义、制作和编辑，并设定其状态特征属性参数），达到使计算机或软件按照预先设置，自动执行特定任务，满足使用者要求的目的。

6.1.2工业控制组态软件,美国商业组态软件公司Wonderware公司的Intouch，Rock-Well公司的Rsview32，德国西门子公司的WinCC等。

国内的组态软件有北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的MCGS、北京三维力控科技有限公司的力控、北京亚控科技发展有限公司的组态王以及台湾研华的GENIE等。

MCGS系列组态软件有MCGS嵌入版组态软件、MCGS通用版组态软件、MCGS网络版组态软件。

力控系列主要有pLerine通用组态软件、pSolidLerine嵌入式HMI/SCADA组态软件、三维力控pNetPower-电力版自动化软件。

1嵌入式组态软件嵌入式系统分为四部分：

嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统，以及应用软件系统。

嵌入式计算机主要包括单板计算机（SBC）、PC104计算机和饼干机（3.5英寸工业单板计算机）。

运行于WindowsCE,DeltaOS与标准计算机相比，嵌入式机具有以下优点：

功耗低、可靠性高。

功能强大，具有很高的性能价格比。

实时性强，支持多任务。

占用空间小，效率高。

6.1.2工业控制组态软件,该板主要特性：

结构：

嵌入式PC/104工业计算机主板。

处理器：

AMDGeodeGX1，工作频率为00/333MHz，默认值为300MHz。

芯片组：

AMDGeodeCS5530A。

系统内存：

在板32M/64M/128MBytesSDRAM，默认为64MBytes。

BIOS：

AWARDSYSTEMBIOS,即插即用，Flash写保护控制。

显示接口：

支持CRT18bitTFT真彩LCD屏4M共享内存。

VGA分辨率最大支持102476824bpp128010248bpp；LCDTFT最大支持102476818bpp；LCD黑白屏最大支持102476818bppIDE接口：

支持标准硬盘和CD-ROM，可接DOM（DISKONMODULE），CF卡。

SuperI/O：

W83977F-A，内置了RTC，两个串口。

DOC接口：

DOC2000存储容量为8MBytes1GBytes。

USB接口：

2个USB1.1，BIOS支持USB启动。

多功能接口：

包含PS2键盘,鼠标,蜂鸣器，RESET复位接口串口特点：

COM1支持RS232，COM2支持RS232/RS485总线支持：

PC/104接口，420mA总线驱动指示灯：

电源指示灯、硬盘指示灯。

电源要求：

8PIN电源插头，333MHz工作频率下，+5V0.99A，支持单一的+5V供电。

低功耗：

3.5W（典型值）电池：

板上自带或外接后备电池（3.0V-3.6V），实时时钟尺寸：

符合PC/104标准，90mm96mm。

PCB板层数：

6层，抗电磁干扰能力强。

工作环境：

温度：

2560。

相对湿度：

相对湿度5%95%，非凝结。

贮存温度：

-55+85防EMI设计：

显示接口、串口、键盘/鼠标接口、USB口等均采用防EMI设计。

Watchdog：

看门狗功能集成在PLD器件之中，128级，0254秒，产生硬件RESET信号。

操作系统：

系统支持MS-DOS,Linux,Win98,Wince,Win2000,2.通用版组态软件通用版组态软件主要应用于时实性要求不高的监测系统中，它的主要作用是用来做监测和数据后处理3组态软件主要解决的问题:

（1）如何与采集、控制设备间进行交换数据;

（2）使来自设备的数据与计算机图形画面上的各个元素关联起来;（3）处理数据报警和系统报警;（4）存储历史数据并支持历史数据查询;（5）各类报表的生成和打印输出;（6）为使用者提供灵活多变的组态工具,适应不同领域的需求;（7）最终生成的应用系统运行稳定可靠;（8）具有第三方程序的接口,方便数据共享。

4.组态软件的功能1）强大的画面显示组态功能。

2）良好的开放性。

3）丰富的功能模块。

4）强大的数据库。

5）可编程的命令语言。

6）周密的系统安全防范。

7）仿真功能。

6.2测量数据预处理技术,6.2.1系统误差的自动校准1.全自动校准,系统由多路转换开关（可以用CD4051实现）、输入及放大电路、A/D转换电路、计算机组成。

可以在刚通电或每隔一定时间，自动进行一次校准，找到A/D输出N与输入测量电压uy之间的关系，以后再求测量电压时则按照该修正后的公式计算。

校准步骤如下：

（1）微机控制多路开关使K与3接通，则输入电压u=0，测出此时的A/D值N0。

（2）微机控制多路开关使K与1接通，则输入电压u=uR，测出此时的A/D值NR。

设测量电压与u与N之间为线性关系，表达式为：

，则上述测量结果满足：

（6.1）,校正后的公式如果只校准零点时，实际的测量值则为,2.人工自动校准,全自动校准只适合于基准参数是电信号的场合，且不能校正由传感器引入的误差，为此，可采用人工校准的方法。

人工自动校准不是自动定时校准，而是由人工在需要时接入标准的参数进行校准测量，并将测量的参数存储起来以备以后使用。

人工校准一般只测一个标准输入信号yR，零信号的补偿由数字调零来完成。

6.2.1线性化处理,1铂热电阻的阻值与温度的关系Pt100铂热电阻适用于测量-200850全部或部分范围测温，主要特性是测温精度高，稳定性好。

Pt100阻值与温度的关系分为两段：

-2000和0800，其对应关系为：

-2000范围内0800范围内,许多常见的测温元件，其输出与被测量之间呈现非线性关系，因而需要线性化处理和非线性补偿。

查表法:

根据公式，离线计算出所测量温度范围内温度与铂热电阻的对应关系表即分度表，然后将分度表输入计算机中，利用查表的方法实现；或者根据式（6.6）和（6.7）画出对应的曲线，然后分段进行线性化，即用多段折线代替曲线。

线性化过程见插值算法。

2.热电偶热电势与温度的关系非线性关系,铜康铜热电偶铁康铜热电偶镍铬镍铝热电偶,6.2.3标度变换,将A/D转换后的数字量转换成与实际被测量相同量纲的过程称为标度变换，也称为工程量转换。

6.2.3标度变换,1.线性参数标度变换线性参数标度变换是最常用的标度变换，其前提条件是被测参数值与A/D转换结果为线性关系。

图6.3输入、输出线性关系图,当Nmin=0时,当Amin=0，对应Nmin=0,2.非线性参数标度变换

（1）公式变换法

（2）其他标度变换法,6.2.4插值算法,1.线性插值算法用直线AB代替弧线AB插值点x0与x1之间的间距越小，则在这一区间内f（x）与g（x）之间的误差越小。

2.分段插值算法基本思想是将被逼近的函数（或测量结果）根据其变化情况分成几段，为了提高精度及缩短运算时间，各段可根据精度要求采用不同的逼近公式。

最常用的是线性插值和抛物线插值。

分段插值算法程序设计步骤

（1）用实验法测量出传感器的输出变化曲线yg（x）

（2）将上述曲线进行分段，选取各插值基点。

曲线分段的方法主要有两种，等距分段法和非等距分段法。

等距分段法非等距分段法（3）根据各插值基点的（xi，yi）值，使用相应的插值公式，求出实际曲线g（x）每一段的近似表达式fn（x）。

（4）根据fn（x）编写出应用程序。

6.2.5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，它分为上限报警、下限报警、上下限报警。

如果需要判断的报警参数是xn，该参数的上下限约束值分别为xmax和xmin，则上下限报警的物理意义如下：

上限报警.若xNxmax，则上限报警，否则执行原定操作；下限报警.若xnxmin，则下限报警，否则执行原定操作；上下限报警根据上述规定，编写程序可以实现对被控参数、偏差、控制量等进行上下限报警。

6.3查表及数据排序技术,所谓查表法，就是把事先计算或测得的数据按一定顺序编制成表格，查表程序的任务就是根据被测参数的数值或者中间结果，查出最终所需要的结果，一般将要查询的数据或字符称为关键字表格有两种排列方法：

（1）无序表格，即表中数据任意排列；

（2）有序表格，即表中数据按一定顺序排列，如按升序或降序排列等,6.3.1数据排序技术,数据排序的目的就是把无序的数据表按大小顺序排列，变成有序的数据表常用的排序方法有：

直接插入排序希尔排序选择排序快速排序,1直接插入排序,图5.5直接插入排序示例,2希尔排序,图6.6希尔排序示例,3选择排序,初始数据5545781234231166114578123423556611127845342355661112234534785566111223344578556611122334457855661112233445557866排序结果1112233445556678,图6.7选择排序示例,4快速排序,图6.8快速排序过程示例,6.3.2查表技术,表的排列方式分为无序表格和有序表格查表的方法主要有：

顺序查表法；计算查表法；对分查表法等,1顺序查表法,顺序查表法又称为线形查表法，是针对无序表格查询的一种方法特点是程序设计简单，但是查询效率很低。

因为无序表格中所有各项的排列均无一定的规律，所以，只能按照顺序从第一项开始逐项寻找，直到找到所要查找的关键字为止。

顺序查表速度较慢。

设表中有n个数据，平均查找次数M约为n（n+1）/2。

只适用于表中数据较少的情况。

2计算查表法,计算查表法又称直接查表法D=KN+F这种有序表格要求各元素在表中排列的格式及所占用的空间必须一致，而且表中各元素严格按顺序排列的。

它适用于某些数值计算程序，功能键地址转移程序以及数码转换程序等,3对分查表法,表格为有序表格对分查表法的具体作法:

先选择表中间的一个数据d，与要搜索的关键字k进行比较，若相等，则查到。

若不等，则继续查找。

对于从小到大的顺序来说，如果kd，则取表的后半中间的数据d1，如果kd1，那就再取表的前半部中间的数据，再与k进行比较，这样重复执行，直到找到所需要的记录。

如果没有，则查找失败。

1112233445556678,第二次：

1112233445556678L=5D=6H=8第二次：

1112233445556678L=5D=5H=5,第一次：

1112233445556678,L=1,D=4,H=8,6.4软件抗干扰技术,软件抗干扰技术是当系统受干扰后使系统恢复正常运行或输入信号受干扰后去伪求真的一种辅助方法。

软件抗干扰是被动措施，而硬件抗干扰是主动措施。

软件抗干扰技术研究的内容采取软件的方法抑制叠加在模拟输入信号上噪声的影响，如数字滤波技术；由于干扰而使运行程序发生混乱，导致程序乱飞或陷入死循环时，采取使程序纳入正规的措施，如软件冗余、软件陷阱技术等,6.4.1数字滤波技术,数字滤波器与模拟滤波器相比，具有如下优点：

由于数字滤波采用程序实现，所以无需增加任何硬设备，可以实现多个通道共享一个数字滤波程序，从而降低了成本。

由于数字滤波器不需增加硬设备，所以系统可靠性高、稳定性好，各回路间不存在阻抗匹配问题。

可以对频率很低（如0.01Hz）的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。

可根据需要选择不同的滤波方法，或改变滤波器的参数。

较改变模拟滤波器的硬件电路或元件参数灵活、方便。

1.平均值滤波,

（1）算术平均值滤波实质即把N次采样值相加，然后再除以采样次数N，得到接近于真值的采样值。

主要用于对压力、流量等周期脉动的参数采样值进行平滑加工对脉冲性干扰的平滑作用尚不理想程序实现方法一：

将采样值依次保存在内存空间的单元中，将N个数据相加得到累加结果，累加结果除以N，即可得到算术平均值。

方法二：

将第一次采样值存入内存空间，第二次采样值与第一次采样值相加保存累加结果，依此类推直至将N个结果累加完毕，再将累加结果除以N得到平均值，该方法优点是占用内存空间相对第一种方法要小。

1.平均值滤波,

（2）加权算术平均值滤波将各采样值取不同的比例，然后再相加。

N次采样的加权平均公式为式中各次采样值的系数体现了各次采样值在平均值中所占的比例，可根据具体情况决定。

一般采样次数愈靠后，取的比例愈大，这样可增加新的采样值在平均值中的比例。

这种滤波方法可以根据需要突出信号的某一部分，抑制信号的另一部分,1.平均值滤波,

（1）滑动平均值滤波首先采样N个数据放在内存的连续单元中组成采样队列，计算其算术平均值或加权算术平均值做为第1次采样值；接下来将采集队列向队首移动，将最早采集的那个数据丢掉，新采样的数据放在队尾，而后计算包括新采样数据在内的N个数据的算术平均值或加权平均值。

这样，每进行一次采样，就可计算出一个新的平均值，从而大大加快了数据处理的速度。

滑动平均值滤波程序设计的关键是，每采样一次，移动一次数据块，然后求出新一组数据之和，再求平均值。

值得说明的是，在滑动平均值滤波中开始时要先把数据采样N次，再实现滑动滤波。

2.中值滤波,中值滤波是在三个采样周期内，连续采样三个数据x1，x2，x3，从中选择一个大小居中的数据做为采样结果，用算式表示为：

若x1x2x3，则x2为采样结果中值滤波对于去掉偶然因素引起的波动或传感器不稳定而造成的误差所引起的脉冲干扰比较有效。

对缓慢变化的过程变量采用中值滤波效果比较好，但对快速变化的过程变量，如流量，则不宜采用。

中值滤波对于采样点多于三次的情况不宜采用。

3.程序判断滤波,程序判断滤波方法，是根据生产经验或计算公式，确定出相邻两次采样信号之间可能出现的最大偏差。

若两次采样偏差绝对值超过此偏差值，则表明干扰信号对采样数据的影响不容忽视，应该进行处理。

当采样信号由于随机干扰，如大功率用电设备的启动或停止，造成电流的尖峰干扰或误检测，以及传感器不稳定而引起采样信号的失真等，可采用程序判断法进行滤波。

限幅滤波限速滤波,限幅滤波,作法是把两次相邻的采样值x（n）与x（n-1）相减，求出其变化量的绝对值，然后与两次采样允许的最大差值e进行比较，若小于或等于e，则保留本次采样值x（n）；若大于e，则取上次采样值x（n-1）作为本次采样值，即：

x（n）=x（n-1）。

即：

当|x（n）-x（n-1）|e时，则x（n）=x（n-1）当|x（n）-x（n-1）|e时，则x（n）=x（n）用于变化比较缓慢的参数，如温度、物位等测量系统。

使用时关键问题是最大允许误差e的选取,表6.1限幅滤波实例表,限速滤波,设顺序采样时刻t1、t2、t3所采集的参数分别为x

（1）、x

（2）、x（3），那么若|x

（2）-x

（1）|e时，则保留x

（2）若|x

（2）-x

（1）|e时，x

（2）不采用，但先保留，继续采样取得x（3）若|x（3）-x

（2）|e时，则取x（3）做为采样的真实信号若|x（3）-x

（2）|e时，则取（x（3）+x

（2）2做为真实信号限速滤波的缺点：

首先e要根据现场检测、测试之后而定，对不同的过程变量，不能根据现场的情况不断更换新值；其次是不能反应采样点数N3时各采样数值受干扰倩况。

因此其应用受到一定的限制。

在实际使用中，可用（|x

（1）-x

（2）|+|x

（2）-x（3）|）2取代e，这样也可基本保持限速滤波的特性，虽增加运算量，但灵活性大为提高。

4.RC低通数字滤波,模拟低通滤波器的传递函数利用计算机实现，须将其离散化。

图6.9RC低通滤波器,RC低通数字滤波对周期性干扰具有良好的抑制作用，适用于波动频率较高参数的滤波。

其不足之处是引入了相位滞后，灵敏度低。

滞后程度取决于值的大小。

同时，它不能滤除掉频率高于采样频率二分之一（称为香农频率）以上的干扰信号。

如，采样频率为100Hz，则它不能滤去50Hz以上的干扰信号。

对于高于香农频率的干扰信号，应采用模拟滤波器,5.复合数字滤波,为了进一步提高滤波效果，有时可以把两种或两种以上不同滤波功能的数字滤波器组合起来，组成复合数字滤波器，或称多级数字滤波器。

6.各种数字滤波性能的比较,滤波效果滤波时间,6.4.2输入输出数字量的软件抗干扰技术,输入数字量的软件抗干扰技术干扰信号多呈毛刺状，作用时间短，利用这一特点，对于输入的数字信号，可以通过重复采集的方法，将随机干扰引起的虚假输入状态信号滤除掉。

若多次数据采集后，信号总是变化不定，则停止数据采集并报警；或者在一定采集时间内计算出现高电平、低电平的次数，将出现次数高的电平做为实际采集数据。

对每次采集的最高次数限额或连续采样次数可按照实际情况适当调整。

输出数字量的软件抗干扰技术当系统受到干扰后，往往使可编程的输出端口状态发生变化，因此可以通过反复对这些端口定期重写控制宇、输出状态字，来维持既定的输出端口状态。

只要可能，其重复周期尽可能短，外部设备受到一个被干扰的错误信息后，还来不及作出有效的反应，一个正确的，输出信息又来到了，就可及时防止错误动作的发生。

对于重要的输出设备，最好建立反馈检测通道，CPU通过检测输出信号来确定输出结果的正确性，如果检测到错误及时修正。

6.4.3指令冗余技术,微机的指令系统中，有单字节指令、双字节指令、三字节指令等，CPU的取指过程是先取操作码，后取操作数。

当CPU受到干扰后，程序便会脱离正常运行轨道，而出现“飞车”现象，在关键地方人为地插入一些单字节指令如NOP，或将有效单字节指令重复书写，称之为指令冗余在一些对程序流向起决定作用的指令和某些对工作状态起重要作用的指令之前插入两条NOP指令，以保证跑飞的程序能迅速纳入正常轨道。

在一些对程序流向起决定作用的指令和某些对工作状态起重要作用的指令的后面重复书写这些指令，以确保这些指令的正确执行。

条件是：

跑飞的程序必须在程序运行区，并且必须能执行到冗余指令,6.4.4软件陷阱技术,当跑飞程序进入非程序区（如EPROM未使用的空间）或表格区时，可以利用软件陷阱技术拦截跑飞程序。

软件陷阱一般安排在以下五种地方：

未使用的中断向量区；未使用的大片ROM区；表格运行程序区中断服务程序区,