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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，它可分为它可分为系统软件系统软件和和应用应用软件软件。所谓所谓应用软件应用软件就是面向控制系统本身的程序，它是根据系就是面向控制系统本身的程序，它是根据系统的具体要求，由统的具体要求，由用户自己设计用户自己设计的。的。软件设计的方法：利用软件设计的方法：利用计算机语言计算机语言自己编制需要的应用程
2、自己编制需要的应用程序；利用序；利用组态软件组态软件。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
3、写程序的说明，这大约也占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。这种方法法是汇编语
4、言设计常用的方法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。该方法一般该方法一般适合用高级语言来设计程序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 和证明了只用三种基和证明了只用
5、三种基本的控制结构就能实本的控制结构就能实现任何单入口单出口现任何单入口单出口的程序。这三种基本的程序。这三种基本的控制结构是的控制结构是“顺序顺序”、“选择选择”、“循循环环”。如右图所示。如右图所示。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。这些步骤就是过程。编写代码实际上等于分解这些
6、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）类型和类 （4 4）静态链接和动态链接）静
7、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 x220)inportb(0 x220)第一条指令表示
8、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 x26)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
9、到端口输出到端口230H230H中，第二条指令表中，第二条指令表示将单字节数示将单字节数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
10、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的处理有线性化处理线性化处理、标度变换标度变换和和误差自动校准误差自动校准。6.2.1 6.2.1 误差自动校准误差自动校准系统误差系统误差定义：定义：是指在相同条件下，经过多次测量，误差的是指在相同条件下，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：特
11、点：在一定的测量条件下，其变化规律是可以掌握的，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：方法：偏移校准在实际中应用最多，并且常采用偏移校准在实际中应用最多，并且常采用程序程序来来实现，称为数字调零。实现，称为数字调零。数字调零：数字调零：在测量时，先把多路输入接到在测量时，先把多路输入接到所需测量所需测量的一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,然后把多路然后把多路开关的输入接地，测出开关的输入接地，测出零输入零输入时时A AD D转换器的输出为转换器的输出为x x
12、0 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除了数字调零外，还可以采用偏移和增益误差的自动校自动校准准。1.1.全自动校准全自动校准 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，降低对电路器件的要求。的要求。先把先把开关接地开关接地，测出这时的输入值，测出这时的输入值x x0 0，然后把开关接，然后把开关接基准基准电压电压VR
13、VR，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，在正式测量正式测量时，如测时，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全自动校准只适于基准参数是电信号电信号场合，并且不能校正由场合，并且不能校正由传感器传感器引入的误差。为克服这种缺点，采用人工自动校准。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 人人工工自自动动校校准准只只测测一一个个
14、标标准准输输入入信信号号y yR R，零零信信号号的的补补偿由数字调零来完成。偿由数字调零来完成。设设数数字字调调零零后后测测出出的的数数据据分分别别为为x xR R(接接校校准准输输入入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。如如如如果果果果在在在在校校校校准准准准时时时时，计计计计算算算算并并并并存存存存放放放放y y y yR R R Rx x x xR R R R的的的的值值值值，则则则则测测测测量量量量校准时，只需行一次乘法即可。有时也可用校准时，只需行一次乘法即可。有时也可用校准时，只需行一次乘法即可。有时也可用校准
15、时，只需行一次乘法即可。有时也可用y y y yi i i i代替代替代替代替y y y yR R R R 人人人人工工工工自自自自动动动动校校校校准准准准特特特特别别别别适适适适于于于于传传传传感感感感器器器器特特特特性性性性随随随随时时时时间间间间会会会会发发发发生生生生变化的场合。如常用的湿敏电容等湿度传感器。变化的场合。如常用的湿敏电容等湿度传感器。变化的场合。如常用的湿敏电容等湿度传感器。变化的场合。如常用的湿敏电容等湿度传感器。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 离线计算温度与铂离线计算温度
16、与铂热电阻阻值热电阻阻值对应关系表即对应关系表即分度表分度表，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与热电阻方法相同。测量的参数为热电偶的热电势热电势。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 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的冷端温度为3030，测得，测得热热电势电势以后，
17、以后，错用错用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解：首先求出工作端温度相对相对0 0 冷端的冷端的热电势的值，设该热电势的值，设该值为值为X X，按，按E E分度表分度表，可列出方程：，可列出方程：再通过查再通过查K K型型热电偶分度表热电偶分度表,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，
18、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，故必须把它纲的参数值，它仅仅对应于参数值的大小，故必须把它转换转换成带有量纲的工程值成带有量纲的工程值后才能运算、显示或打印输出，这种转后才能运算、显示或打印输出，这种转换就是换就是标度变换标度变换。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
19、。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标度变换法 1.1.线性变换公式（线性变换公式（前提前提：参数值与：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表表示示参参数数测测量量值值，Y Ymaxmax表表示示参参数数量量程程最最大大值值，Y Yminmin表表示示参参数数量量程程最最小小值值，N Nmaxmax表表示示 Y Ymaxmax对对应应的的A AD D转转换换后后的的输输
20、入入值值，N Nminmin表表示示量量程程起起点点Y Yminmin对对应应的的A AD D转转换换后后的的输入值，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
21、的转换结果为的转换结果为6AH6AH，问，问此时炉内温度此时炉内温度t=?t=?解法一：解法一：解法二：解法二：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：当输入信号为70kPa时，可列出方程：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-
22、Nminmin)+Y)+Yminmin Y Y表表示示参参数数测测量量值值，Y Ymaxmax表表示示参参数数量量程程最最大大值值，Y Yminmin表表示示参参数数量量程程最最小小值值，N Nmaxmax表表示示 Y Ymaxmax对对应应的的A AD D转转换换后后的的输输入入值值，N Nminmin表表示示量量程程起起点点Y Yminmin对对应应的的A AD D转转换换后后的的输输入入值值，X X表表示示测测量值量值Y Y对应的对应的A AD D转换值。转换值。2.2.公式转换法（公式转换法（非线性场合非线性场合）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
23、法（其它标度变换法（非线性场合非线性场合）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 越越限限报报警警是是工工业业控控制制过过程程常常见见而而又又实实用用的的一一种种报报警警形形式式，它它分分为为上上限限报报警警、下下限限报报警警及及上上下下限限报报警警。如如果果需需要要判判断断的的报报警警参参数数是是x xn n，该该参参数数的的上上下下限限约约束束值值分分别别是是x xmaxmax和和x xminmin，则则上上下下限限报警的物理意义如下：报警的物理意义如下：(1)(1
24、)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，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
25、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，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转换器把转换器把一定范围内一定范围内变化的采变化的采样信号变换为数字样信号变换为数字0 02 2n n-1,-1,其其最低有效位最
26、低有效位（LSBLSB）所对）所对应的应的模拟量模拟量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，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
27、最小单位q q分别是：分别是：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)可以用可以用截尾或舍入截尾或舍入来处理来处理 。所所谓谓截截尾尾就就是是舍舍掉掉数数值值中中小小于于q q的的余余数数(q)q)，其其截截尾尾误误差差t t为为：t t=x=xt t-x-x，式式中中x x为为实实际际数数值值，x xt t为为截截尾尾后后的数值。显然的数值。显然-q-qt t00。所所谓谓舍舍入入是是指指，当当被被舍舍掉掉的的
28、余余数数大大于于或或等等于于量量化化单单位位的的一一半半时时，则则最最小小有有效效位位加加1 1；而而当当余余数数小小于于量量化化单单位位的的一一半半时时，则则舍舍掉掉。这这时时舍舍入入误误差差为为r r=x=xr r-x-x，式式中中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)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。(
29、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 转换器的字长选择转换器的字长选择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转转换换器器的的字字长长选选择择 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转换器转换器有有足够的字长足够的字长。确定字长要考虑的因素是：输入信号。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
30、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（为转换当量（相当于量化单相当于量化单位位），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：则则A/DA/D字长字长n n为：为：转换器的字长选择转换器的字长选择某炉温度变化范围某炉温度变化范围0-15000-1500，要求，要求分辨率分辨率为为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/
31、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：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。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转换转换器有器有足够的字长足够的字长。确定字长要考虑的因素是：输入信号。确定字长要考虑的因素是：输入信号x x的动态范围和分辨率。的动态范围和分辨率。(2)(2)分辨率分辨率分辨率分辨率：反映：反映A/
32、DA/D转换器对输入量微小变化响应的分辨能力，转换器对输入量微小变化响应的分辨能力，即指能使即指能使转换后数字量变化转换后数字量变化1 1的的最小模拟输入量最小模拟输入量。本书对分辨率定义：本书对分辨率定义：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：，求求A/D转换器字长：转换器字长：转转 换换 器器 的的 字字 长长 选选 择择u umaxmax为执行机构的最大输入值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
33、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，应选灵敏度为，应选D/AD/A转换器的字长是多少？转换器的字长是多少？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
34、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处理包括选择给定值给定值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 当当软软开开关关CLCLCRCR切切向向CLCL位位置置时时，选选择择操
35、操作作员员设设置置的的给给定定值值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 当当软软开开关关CLCLCRCR切切向向CRCR位位置置时时，给给定定值值来来自自上上位位计计算算机机、主主回回路路或或运运算算模模块块。这这时时系系统统处处于于外外给给定定状状态态。在在此此状状态态下下，可可以以实现以下两种控制方式。实现以下两种控制方式。SCCSCC控控制制:当当软软开开关关CASCASSCCSCC切切向向SCCSCC位位置置时时，接接收收来来自自上上位计算机的给定值
36、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。串串级级控控制制:当当软软开开关关CASCASSCCSCC切切向向CASCAS位位置置时时，给给定定值值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 为为了了减减少少给给定定值值突突变变对对控控制制系系统统的的扰扰动动，防防止止比比例例、积积分分饱饱和和，以以实实现现平平稳稳控控制制，需需要要对对给给定定值值的的变变化化率率SRSR加加以以限限制制。变变化化率的选取要适中，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
37、慢，过大则达不到限制的目的。综综上上所所述述，在在给给定定值值处处理理中中，共共具具有有三三个个输输入入量量(SVL(SVL，SVCSVC，SVS)SVS)，两两个个输输出出量量(SV(SV，CSV)CSV)，两两个个开开关关量量(CL(CLCRCR，CASCASSCC)SCC)，一一个个变变化化率率(SR)(SR)。为为了了便便于于PIDPID控控制制程程序序调调用用这这些些量量，需需要给每个要给每个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，需要对为了安全运行，需要对被控量被控量PVPV进行
38、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”。当当出出现现上上、下下限限报报警警状状态态(PHA(PHA，PLA)PLA)时时，它它们们通通过过驱驱动动电电路路发发出出声声或或光光，以以便便提提醒醒操操作作员员注注意意。为为了了不不使使PHAPHAPLAPLA的的状状态态频频繁繁改改变变，可可以以设设置置一一定定的的报报警死区警死区(HY)(HY)。为为了了实实现现平平稳稳控控制制，
39、需需要要对对参参与与控控制制的的被被控控量量的的变变化化率率PRPR加加以以限限制制。变变化化率的选取要适中，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。被被控控量量处处理理数数据据区区存存放放一一个个输输入入量量PVPV，三三个个输输出出量量PHAPHA、PLAPLA和和CPVCPV，四四个个参数参数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
40、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=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
41、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=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
42、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
43、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。6.3.3 6.3.3 控制算法的实现控制算法的实现 在在自自动动状状态态下下，需需要要进进行行控控制制计计算算，即即按按照照各各种种控控制制算算法法的的差差分分方方程，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控控制制算算法法为为例例，当当软软开开关关DVDVPVPV切切向向DVDV位位置置时时，则则选选用用偏偏差差微微分分
44、方方式式；当当软软开开关关DVDVPVPV切切向向PVPV位位置置时时，则则选选用用测测量量(即即被被控控量量)微微分分方方式。式。在在PIDPID计算数据区，不仅要存放计算数据区，不仅要存放PIDPID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)
45、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，以便扩展控制功能，以前，还应经过各项处理和判断，以便扩展控制功能，实现安全平稳操作。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
46、+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，代表置换补偿，此时U Uc c=OCV.=OCV.利利用用输输出出和和输输入入补补偿偿，可可以以扩扩大大实实际际应应用用范范围围，灵灵活活组组成成复复杂杂的的数数字控制器，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变变化化率率限限制制：为为了了实实现现平平稳稳操操作作，需需要要对对控控制制量量的的变变化化率率MRMR加加以以限限制制。变变化化率率的的选选取取要要适适中中，过过小小会会使使操操作作缓
47、缓慢慢，过过大则达不到限制的目的。大则达不到限制的目的。3 3输输出出保保持持：当当软软开开关关FHFHNHNH切切向向NHNH位位置置时时，现现时时刻刻的的控控制制量量u(k)u(k)等等于于前前一一时时刻刻的的控控制制量量u(k-1)u(k-1)，也也就就是是说说，输输出出控控制制量量保保持持不不变变。当当软软开开关关FHFHNHNH切切向向FHFH位位置置时时，又又恢恢复复正正常常输输出出方式。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安安全全输输出出：当当软软开开关关FSFSNSNS切切向向NSNS位位置置时时，现现时时刻刻的的
48、控控制制量量等等于于预预置置的的安安全全输输出出量量MSMS。当当软软开开关关FSFSNSNS切切向向FSFS位位置置时时，又又恢恢复复正正常常输输出出方方式式。软软开开关关FSFSNSNS状状态态一一般般来来自自系系统统安安全全报报警开关。警开关。控制量处理数据区需要存放输出补偿量控制量处理数据区需要存放输出补偿量OCVOCV和补偿方式和补偿方式OCMOCM，变化率限制值，变化率限制值MRMR，软开关，软开关FHFHNHNH和和FSFSNSNS，安全输出量，安全输出量MSMS，以及控制量以及控制量CMVCMV。6.3.5 6.3.5 自动手动切换技术自动手动切换技术 在正常运行时，系统处于自
49、动状态；而在调试阶段或出现故障时，系在正常运行时，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。下图为自动统处于手动状态。下图为自动/手动切换处理框图。手动切换处理框图。1.1.软自动软自动软手动软手动 当当软软开开关关SASASMSM切切向向SASA位位置置时时，系系统统处处于于正正常常的的自自动动状状态态，称称为为软软自自动动(SA)(SA)；反反之之，切切向向SMSM位位置置时时，控控制制量量来来自自操操作作键键盘盘或或上上位位计计算算机机，此此时时系系统统处处于于计计算算机机手手动动状状态态，称称为为软软手手动动(SM)(SM)。一一般般在在调调试试阶阶段段，采采用用软
50、软手手动动(SM)(SM)方式。方式。2.2.控制量限幅控制量限幅 为为了了保保证证执执行行机机构构工工作作在在有有效效范范围围内内，需需要要对对控控制制量量U Us s进进行行上上、下下限限限限幅幅处处理理，使使得得MLMVMHMLMVMH，再再经经D DA A转转换换器器输输出出0 010mADC10mADC或或4 420mADC20mADC。3.3.自动自动手动手动 对对于于一一般般的的计计算算机机控控制制系系统统，可可采采用用手手动动操操作作器器作作为为计计算算机机的的后后备备操操作作。当当切切换换开开关关处处于于HAHA位位置置时时，控控制制量量MVMV通通过过D DA A输输出出，