第8章计算机控制系统的应用软件讲义课件

第第8章章 计算机控制系统的应用软件计算机控制系统的应用软件8.1 计算机控制系统软件概述计算机控制系统软件概述8.2 计算机控制系统的应用软件计算机控制系统的应用软件 8.3 计算机控制系统的数据处理技术计算机控制系统的数据处理技术 8.4 输入输出数字量的软件抗干扰技术输入输出数字量的软件抗干扰技术第第8章章 计算机控制系统的应用软件计算机控制系统的应用软件8.1 计算机控制系统软件概述计算机控制系统软件概述8.1.1 软件的含义软件的含义 软件是能够完成预定功能和性能的可执行的计算机程序软件是能够完成预定功能和性能的可执行的计算机程序和使程序正常执行所需要的数据，加上描述软件开发过程及和使程序正常执行所需要的数据，加上描述软件开发过程及其管理、程序的操作和使用的有关文档。其管理、程序的操作和使用的有关文档。8.1.2 软件的特点软件的特点1.表现形式不同。表现形式不同。2.生产方式不同。生产方式不同。3.要求不同。要求不同。4.维护不同。维护不同。8.1.3 软件的分类软件的分类1.系统软件系统软件2.应用软件应用软件 3.工具软件工具软件 8.1.4 软件设计的一般过程软件设计的一般过程 先分析系统对软件的要求，画出总体软件功能框图；然后用先分析系统对软件的要求，画出总体软件功能框图；然后用模块化设计方法设计每一软件功能模块，绘出每一功能模块的模块化设计方法设计每一软件功能模块，绘出每一功能模块的流程图，选择合适的语言编写程序；最后按照总体软件框图，流程图，选择合适的语言编写程序；最后按照总体软件框图，将各模块连接成一个完整的程序。将各模块连接成一个完整的程序。8.1.5 软件设计的一般方法软件设计的一般方法1.模块化设计法模块化设计法2.结构化设计法结构化设计法1.模块化设计法模块化设计法 模块化设计法是把一个大的程序划分成若干个程序模块分别模块化设计法是把一个大的程序划分成若干个程序模块分别进行设计和调试进行设计和调试。（1）保证模块的独立性，即一个）保证模块的独立性，即一个模块内部的改动不应影响其他模块。模块内部的改动不应影响其他模块。模块只能有一个入口和一个出口。模块只能有一个入口和一个出口。（2）模块不宜划分得过大、过小。模块不宜划分得过大、过小。模块过大会失去模块化的特点，且模块过大会失去模块化的特点，且编程和连接时可能会遇到麻烦；编程和连接时可能会遇到麻烦；模模块过小会增加连接通信的工作量。块过小会增加连接通信的工作量。（3）对每一模块应做出具体定义，定义包括解决问题的算）对每一模块应做出具体定义，定义包括解决问题的算法，允许的输入、输出值范围等。法，允许的输入、输出值范围等。（4）简单的任务不必模块化。因为在这种情况下，编写和修改）简单的任务不必模块化。因为在这种情况下，编写和修改整个程序比起装配和修改模块要容易一些。整个程序比起装配和修改模块要容易一些。模块化编程的优点：模块化编程的优点：相对于整个程序，单个模块易于编写、调试及修改；相对于整个程序，单个模块易于编写、调试及修改；便于程序设计任务的划分，可以按照编程人员的经验、熟悉便于程序设计任务的划分，可以按照编程人员的经验、熟悉 程度分配编程任务，提高编程效率；程度分配编程任务，提高编程效率；程序的易读性好；程序的易读性好；频繁使用的任务可以编制成模块存放在库里，频繁使用的任务可以编制成模块存放在库里，供多个任务使用。供多个任务使用。模块化编程的缺点：模块化编程的缺点：程序执行时往往占有较多的内存空间和程序执行时往往占有较多的内存空间和CPU时间；时间；其次，由于模块独立性的要求，可能使相互独立的各模块中有其次，由于模块独立性的要求，可能使相互独立的各模块中有重复的功能；重复的功能；由于模块划分时考虑不周，容易使各模块汇编在一起时发生连由于模块划分时考虑不周，容易使各模块汇编在一起时发生连接上的困难。接上的困难。1）“自顶向下自顶向下”设计法设计法 从整体到局部再到细节，即把整体任务分成一个个子任务，从整体到局部再到细节，即把整体任务分成一个个子任务，子任务再分成子子任务，这样一层一层地分下去，直到最底层子任务再分成子子任务，这样一层一层地分下去，直到最底层的每一个任务都能单独处理为止。的每一个任务都能单独处理为止。具体步骤为：具体步骤为：首先对最高层进行编码和调试，为了测试这些最首先对最高层进行编码和调试，为了测试这些最高层模块，可以用高层模块，可以用“节点节点”来代替还未编码的较低层模块，来代替还未编码的较低层模块，“节点节点”的输入和输出满足程序的说明部分要求，但功能少的多。的输入和输出满足程序的说明部分要求，但功能少的多。这种方法一般适合用高级语言来设计程序。这种方法一般适合用高级语言来设计程序。软件设计的软件设计的“自顶向下自顶向下”设计法，需要遵循一下原则：设计法，需要遵循一下原则：（1）对于每一个程序模块，应明确规定其输入输出和功能。对于每一个程序模块，应明确规定其输入输出和功能。（2）一旦已认定一部分问题能够纳入一个模块之内，就不要）一旦已认定一部分问题能够纳入一个模块之内，就不要再进一步地考虑如何具体地实现它，即不要纠缠于编程的一些再进一步地考虑如何具体地实现它，即不要纠缠于编程的一些细节问题。细节问题。（3）不论在哪一层次，每一模块的具体说明、规定不要过）不论在哪一层次，每一模块的具体说明、规定不要过分庞大，如果过分庞大，就应该考虑进一步细分。分庞大，如果过分庞大，就应该考虑进一步细分。（4）模块间信息数据的设计，与模块中过程或算法的设计模块间信息数据的设计，与模块中过程或算法的设计同样重要。这些数据是模块之间的接口，必须予以仔细规定。同样重要。这些数据是模块之间的接口，必须予以仔细规定。“自顶向下自顶向下”设计法的优点是设计法的优点是，比较符合人的日常思维、分析，比较符合人的日常思维、分析习惯，能够按照真实系统环境直接进行设计。习惯，能够按照真实系统环境直接进行设计。其主要缺点是，其主要缺点是，某一级的程序将对整个程序产生影响，一处某一级的程序将对整个程序产生影响，一处修改可能牵动全局，需要对程序全面修改；此外，这种设计法修改可能牵动全局，需要对程序全面修改；此外，这种设计法也不便于使用现成软件。也不便于使用现成软件。因此自顶向下设计方法，仅适合于规模较小的任务和实时监测因此自顶向下设计方法，仅适合于规模较小的任务和实时监测与控制中较为简单的任务。对于功能、任务复杂的较大系统宜与控制中较为简单的任务。对于功能、任务复杂的较大系统宜采用模块化、结构化设计方法。采用模块化、结构化设计方法。2）自底向上模块化设计）自底向上模块化设计 这种方法首先对最低层模块进行编码、测试和调试。这些模这种方法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。块正常工作后就可以用它们来开发较高层的模块。实际工作中，最好将两种方法结合起来，先开发高层模块和实际工作中，最好将两种方法结合起来，先开发高层模块和关键性低层模块，用关键性低层模块，用“节点节点”来代替以后开发的不太重要的模块。来代替以后开发的不太重要的模块。2.结构化设计法结构化设计法 结构化程序设计法是结构化程序设计法是20世纪世纪70年代起逐渐被采用的一种新型年代起逐渐被采用的一种新型程序设计方法。采用结构化程序设计法的目的是使程序易读、程序设计方法。采用结构化程序设计法的目的是使程序易读、易查、易调试，并提高编程效率。结构化程序设计法综合了易查、易调试，并提高编程效率。结构化程序设计法综合了“自顶向下自顶向下”设计法、模块化设计法的优点，并采用了三种基本设计法、模块化设计法的优点，并采用了三种基本的程序结构编程。这三种基本结构。即顺序结构、条件结构、的程序结构编程。这三种基本结构。即顺序结构、条件结构、循环结构进行编程，每一程序模块可以是三种基本结构之一，循环结构进行编程，每一程序模块可以是三种基本结构之一，也可以是三种基本结构的有限次组合。也可以是三种基本结构的有限次组合。8.2 计算机控制系统的应用软件计算机控制系统的应用软件8.2.1 控制系统的输入输出软件控制系统的输入输出软件1.I/O接口程序接口程序：I/O接口程序是针对接口程序是针对I/O模板或模块编写的程序。模板或模块编写的程序。2.I/O驱动程序驱动程序：I/O驱动程序是针对驱动程序是针对I/O单元与主控单元之间的数单元与主控单元之间的数据交换或通信而编写的程序，位于主控单元内。据交换或通信而编写的程序，位于主控单元内。3.3.实时数据库实时数据库：实时数据库（：实时数据库（RTDB）的数据既有时间性也有）的数据既有时间性也有时限性，所谓时间性是指某时刻的数据值，所谓时限性是指数时限性，所谓时间性是指某时刻的数据值，所谓时限性是指数据值在一定时间内有效。据值在一定时间内有效。8.2.2 数字控制算法的计算机实现数字控制算法的计算机实现1.硬件实现硬件实现 利用数字电路（例如加法器、乘法器、延时电路等）实现利用数字电路（例如加法器、乘法器、延时电路等）实现D(Z)。这实际上是制作一个特殊的专用处理电路来完成特定形。这实际上是制作一个特殊的专用处理电路来完成特定形式式D(Z)的运算，一般用于某些特定系统。的运算，一般用于某些特定系统。2.软件实现软件实现 软件实现是通过编制计算机程序来实现软件实现是通过编制计算机程序来实现D(Z)的方法，称为的方法，称为计算机实现。由计算机的特点以及从计算机实现。由计算机的特点以及从D(Z)算式的复杂性和设计算式的复杂性和设计控制系统的灵活性出发，采用计算机软件的方法实现更具有优控制系统的灵活性出发，采用计算机软件的方法实现更具有优势。因而在许多工业控制系统中都采用软件实现方法。势。因而在许多工业控制系统中都采用软件实现方法。1）直接程序法）直接程序法由此得出数字控制器输出量的由此得出数字控制器输出量的z变换为：变换为：对上式进行对上式进行z反变换，在初始静止条件下可以得到差分方程：反变换，在初始静止条件下可以得到差分方程：式（式（8-2）的实现形式如图）的实现形式如图8-3所示，该形式称为直接程序形式，所示，该形式称为直接程序形式，它对于脉冲传递函数的分子分母分别用了两组纯滞后元件。分它对于脉冲传递函数的分子分母分别用了两组纯滞后元件。分子用了子用了m个原件，分母用了个原件，分母用了n个元件，共用了个元件，共用了m+n个纯滞后元件。个纯滞后元件。由式（由式（8-2）即可编制出计算机程序，计算）即可编制出计算机程序，计算u(kT)。2）串联程序法串联程序法串联程序法是指将数字控制器串联程序法是指将数字控制器D(Z)分解为一阶或二阶脉冲传递分解为一阶或二阶脉冲传递函数的串联连接。如果数字控制器函数的串联连接。如果数字控制器D(Z)的零、极点为已知时，的零、极点为已知时，D(Z)可以写为：可以写为：式中，式中，通常可以表示为：通常可以表示为：那么数字控制器那么数字控制器 就可以看成由就可以看成由 串联而成，如图串联而成，如图8-4所示。所示。为了计算为了计算 ，可以先求出可以先求出 ，然后通过迭代方法，然后通过迭代方法求出求出 ，最后求出最后求出 。【例例8.1】设数字控制器设数字控制器试用串联程序法实现试用串联程序法实现D(z)表达式，画出串联程序法的框图。表达式，画出串联程序法的框图。解：解：将将D(z)变为变为可以写出子脉冲传递函数可以写出子脉冲传递函数D1(z)、D2(z)，分别为，分别为由式（由式（8-6）和式（）和式（8-7）可得）可得由式（由式（8-8）可得差分方程组为）可得差分方程组为由式（由式（8-5）可画出串联程序法的原理框图，如图）可画出串联程序法的原理框图，如图8-5所示。所示。3）并联程序法）并联程序法对于数字控制器对于数字控制器D(z)，若能写成部分分式形式，可以将其化简，若能写成部分分式形式，可以将其化简为多个一阶或二阶脉冲传递函数相加的形式。为多个一阶或二阶脉冲传递函数相加的形式。式中，式中，通常可以表示为：通常可以表示为：那么数字控制器那么数字控制器D(z)就可以看成由就可以看成由D1(z)，D2(z)，Dj(z)并联而成，如图并联而成，如图8-6所示。所示。先求出先求出 然后通过求和的方法求出求出然后通过求和的方法求出求出【例例8-2】设数字控制器设数字控制器 试用并联程序法实现试用并联程序法实现D(z)表达式，画出并联程序法的框图。表达式，画出并联程序法的框图。解：解：对对D(z)进行因式分解，以部分分式形式表示。进行因式分解，以部分分式形式表示。由上式可得差分方程组如下：由上式可得差分方程组如下：根据该方程组可得并联程序法的原理框图，如图根据该方程组可得并联程序法的原理框图，如图8-7所示。所示。8.2.3 控制系统的监控组态软件控制系统的监控组态软件1.组态软件的含义组态软件的含义组态（组态（Configuration）的含义是使用软件工具，按用户的需）的含义是使用软件工具，按用户的需要对计算机资源进行组合，达到应用的目的。组态的过程可以要对计算机资源进行组合，达到应用的目的。组态的过程可以看作是软件装配的过程，软件提供了各种看作是软件装配的过程，软件提供了各种“零部件零部件”供用户选供用户选择，如输入功能块、输出功能块、控制功能块、运算功能块、择，如输入功能块、输出功能块、控制功能块、运算功能块、子图、动态点、动态控件、操作点、操作显示窗口、通用画面子图、动态点、动态控件、操作点、操作显示窗口、通用画面（如总貌、组、点、趋势画面）模板和打印模板等。（如总貌、组、点、趋势画面）模板和打印模板等。常用的工业组态软件有美国商业组态软件公司常用的工业组态软件有美国商业组态软件公司Wonderware的的Intouch，Rock-Well公司的公司的Rsview32，德国西门子公司的，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限公司的MCGS、北京三维力控科技有限公司的力控、北京亚、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控科技发展有限公司的组态王以及台湾研华的GENIE等。等。2.开放软件开放软件 计算机控制系统的对外开放除了提供硬件接口（如计算机控制系统的对外开放除了提供硬件接口（如RS-232，RS-485和网络）之外，还需要有对外开放的软件接口或与其和网络）之外，还需要有对外开放的软件接口或与其他软件通信的接口。例如工业他软件通信的接口。例如工业PC机常用的软件接口有以下四种：机常用的软件接口有以下四种：1）DDE动态数据交换（动态数据交换（dynamic data exchange，DDE）是两个同时运）是两个同时运行的程序之间建立行的程序之间建立client/server（客户（客户/服务器）连接关系，所服务器）连接关系，所建立的数据连接通道是双向的，即建立的数据连接通道是双向的，即client方既可以读取方既可以读取server方方的数据，也可以修改的数据，也可以修改server方的数据。一个程序可以同时是方的数据。一个程序可以同时是client方和方和server方，当然可以只是其中一方。方，当然可以只是其中一方。2）OLE 对象连接嵌入（对象连接嵌入（object link embedding，OLE）的初始）的初始含义是一个程序引用另一个程序中的某个对象时，直接用指含义是一个程序引用另一个程序中的某个对象时，直接用指针指向该对象，而不必将被引用对象拷贝到程序中。针指向该对象，而不必将被引用对象拷贝到程序中。OLE的含义扩展后制定了规范的接口，并产生了构件对的含义扩展后制定了规范的接口，并产生了构件对象模型（象模型（component object model，COM）、分布式构件对象）、分布式构件对象模型（模型（distributed COM，DCOM）和）和Active X技术，使得程技术，使得程序之间交换数据有了更高效的手段。序之间交换数据有了更高效的手段。3)OPC 用于过程控制的用于过程控制的OPC（OLE for process control）是）是OLE的的扩展，为工业控制设备硬件和应用软件之间提供了数据访问和扩展，为工业控制设备硬件和应用软件之间提供了数据访问和通信接口的标准。通信接口的标准。4)ODBC 开放的数据库连接（开放的数据库连接（open data base connectivity，ODBC）规）规定了开放数据库互连的标准，其目的是实现异构数据库的互连。定了开放数据库互连的标准，其目的是实现异构数据库的互连。支持支持ODBC标准的数据库都提供基于自己数据库管理系统标准的数据库都提供基于自己数据库管理系统（data base management system，DBMS）的）的ODBC接口程序。接口程序。这样支持这样支持ODBC标准的应用程序通过标准的应用程序通过DBMS的的ODBC接口程序，接口程序，就可以直接访问就可以直接访问DBMS中的数据项，进行读写操作。中的数据项，进行读写操作。数据库支持结构化查询语言（数据库支持结构化查询语言（structured query language，SQL），这是一种数据库访问语言。尽管不同数据库的），这是一种数据库访问语言。尽管不同数据库的SQL语语法不尽相同，但都支持标准版本的法不尽相同，但都支持标准版本的SQL。ODBC就是建立在标就是建立在标准版本准版本SQL之上的，通过之上的，通过ODBC和和SQL就可以编写独立于任何就可以编写独立于任何DBMS的数据库访问程序。的数据库访问程序。8.3 计算机控制系统的数据处理技术计算机控制系统的数据处理技术8.3.1 软件抗干扰技术软件抗干扰技术1.数字滤波数字滤波 在控制系统的输入输出通道中，采用某种计算方法对通道在控制系统的输入输出通道中，采用某种计算方法对通道的信号进行数字处理，以削弱或滤除干扰噪声，这就是数字的信号进行数字处理，以削弱或滤除干扰噪声，这就是数字滤波方法。滤波方法。数字滤波技术的优点：数字滤波技术的优点：（1）因为用程序滤波，数字滤波只是一个计算过程，无需）因为用程序滤波，数字滤波只是一个计算过程，无需硬件，且可多通道共享一个滤波器硬件，且可多通道共享一个滤波器(多通道共同调用一个滤波多通道共同调用一个滤波子程序子程序)，从而降低了成本。，从而降低了成本。（2）各回路之间不存在阻抗匹配、特性波动、非一致性等）各回路之间不存在阻抗匹配、特性波动、非一致性等问题。模拟滤波器在频率很低时较难实现的问题，不会出现问题。模拟滤波器在频率很低时较难实现的问题，不会出现在数字滤波器的实现过程中，故可靠性高，稳定性好。在数字滤波器的实现过程中，故可靠性高，稳定性好。（3）可以对频率很低的信号）可以对频率很低的信号(如如0.01Hz以下以下)进行滤波，这是进行滤波，这是模拟滤波器做不到的。模拟滤波器做不到的。（4）只要适当改变数字滤波程序有关参数，就能方便的改变）只要适当改变数字滤波程序有关参数，就能方便的改变滤波特性，因此数字滤波使用时方便灵活。滤波特性，因此数字滤波使用时方便灵活。1）程序判断滤波）程序判断滤波方法：根据经验确定出两次采样输入信号可能出现的最大偏差方法：根据经验确定出两次采样输入信号可能出现的最大偏差x，若相邻两次采样信号的差值大于，若相邻两次采样信号的差值大于x，则表明该采样信号是，则表明该采样信号是干扰信号，应去掉；若小于干扰信号，应去掉；若小于x，则该信号作为本次采样信号。，则该信号作为本次采样信号。A:限幅滤波限幅滤波 如果前后两次采样的实际增量如果前后两次采样的实际增量 ，则认为是，则认为是正常的，否则认为是干扰造成的，这种情况下用上次的采样正常的，否则认为是干扰造成的，这种情况下用上次的采样代替本次采样。即：代替本次采样。即：这种方法适用于变化比较缓慢的参数，如温度、物位等测量这种方法适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系统。使用时关键问题是最大允许误差x的选取。的选取。x是相邻两是相邻两个采样值的最大允许增量，其数值可根据个采样值的最大允许增量，其数值可根据x的最大变化速率的最大变化速率Vmax及采样周期及采样周期T确定，即确定，即 B：限速滤波：限速滤波 ，若，若 ；则认为本次采样有效；否；则认为本次采样有效；否则再重新采样一次，得则再重新采样一次，得 ；如果；如果 ,则则 作滤波输出；相反，就以作滤波输出；相反，就以 和和 算术平均值作为滤波算术平均值作为滤波输出。即：输出。即：这种方法抑制带有随机性的干扰，适用于变化比较缓慢这种方法抑制带有随机性的干扰，适用于变化比较缓慢的参数的参数,如温度、液位。关键问题仍是如温度、液位。关键问题仍是 的确定。的确定。值太大，值太大，干扰会乘机而入，干扰会乘机而入，值太小，会使某些有用信号被拒之门外，值太小，会使某些有用信号被拒之门外，使采样效率变低。使采样效率变低。值往往需要经过大量的观测和实验才能值往往需要经过大量的观测和实验才能确定。确定。2）算术平均滤波）算术平均滤波 方法：算术平均滤波就是连续采样方法：算术平均滤波就是连续采样n次，把次，把n次采样结果的算次采样结果的算术平均值作为本次滤波器的输出。即：术平均值作为本次滤波器的输出。即：滤波效果主要取决于采样次数滤波效果主要取决于采样次数n，n越大，结果越准确，滤波效越大，结果越准确，滤波效果越好，但计算时间也越长，系统的灵敏度要下降果越好，但计算时间也越长，系统的灵敏度要下降,通常，流通常，流量量n=12；压力压力n=14。这种滤波方法适用于对压力、流量等周。这种滤波方法适用于对压力、流量等周期脉动的采样值进行平滑加工，但对脉冲性干扰的平滑作用不期脉动的采样值进行平滑加工，但对脉冲性干扰的平滑作用不理想，不宜用于脉冲性干扰较严重的场合。因此这种方法只适理想，不宜用于脉冲性干扰较严重的场合。因此这种方法只适用于慢变信号。用于慢变信号。3）滑动平均滤波）滑动平均滤波 滑动平均滤波法把滑动平均滤波法把N个测量数据看成一个队列，队列的长度个测量数据看成一个队列，队列的长度固定为固定为N，每进行一次新的采样，把测量结果放入队尾，而去，每进行一次新的采样，把测量结果放入队尾，而去掉原来队首的一个数据，这样在队列中始终有掉原来队首的一个数据，这样在队列中始终有N个个“最新最新”的的数据，对这数据，对这n个数据求算术平均值，得到的数据也可以较有效个数据求算术平均值，得到的数据也可以较有效地减小随机误差。地减小随机误差。其中其中 为第为第n次采样经滤波后的输出；次采样经滤波后的输出；为未经滤波的为未经滤波的第次采样值；第次采样值；N为滑动平均项数。为滑动平均项数。这种方法的特点是平滑度高，灵敏度低；对于周期性干扰这种方法的特点是平滑度高，灵敏度低；对于周期性干扰有良好的抑制作用，但对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用差。有良好的抑制作用，但对偶然出现的脉冲性干扰的抑制作用差。4）加权平均滤波）加权平均滤波 上述各种平均滤波法中，每次采样在平均结果中的比重是均上述各种平均滤波法中，每次采样在平均结果中的比重是均等的，即等的，即1/N。用这样的滤波算法，对于时变信号会引入滞后，。用这样的滤波算法，对于时变信号会引入滞后，N越大，滞后越严重。为了增强最后一次（或某一次）在平均越大，滞后越严重。为了增强最后一次（或某一次）在平均结果中的比重，以增强实时性，可采用加权平均滤波结果中的比重，以增强实时性，可采用加权平均滤波。增加新的采样数据在滑动平均中的比重，以提高系统对当前采增加新的采样数据在滑动平均中的比重，以提高系统对当前采样值的灵敏度，即对不同时刻的数据加以不同的权。通常越接样值的灵敏度，即对不同时刻的数据加以不同的权。通常越接近现时刻的数据，权取得越大，以提高系统对当前采样值的灵近现时刻的数据，权取得越大，以提高系统对当前采样值的灵敏度。这种方法可以根据需要，突出信号的某一部分，抑制信敏度。这种方法可以根据需要，突出信号的某一部分，抑制信号的另一部分。号的另一部分。具体方法是在算术平均滤波基础上，对不同时刻的采样值赋具体方法是在算术平均滤波基础上，对不同时刻的采样值赋以不同的加权因子。即：以不同的加权因子。即：其中其中 ，且，且 。该方法适用于系统纯延迟时间常数较大而采样周期较短的情况。该方法适用于系统纯延迟时间常数较大而采样周期较短的情况。该方法实现的关键在于加权因子的选取。一般是愈新的采样值该方法实现的关键在于加权因子的选取。一般是愈新的采样值赋以较大的比重，以迅速反应系统当前所受干扰的严重程度。赋以较大的比重，以迅速反应系统当前所受干扰的严重程度。5）中值滤波）中值滤波 方法：中值滤波是对某一被测参数连续采样方法：中值滤波是对某一被测参数连续采样n次次(，n为奇数为奇数)，取采样值居中者作为滤波器的输出。一般，取采样值居中者作为滤波器的输出。一般，n取取3或或5。对某一被测参数连续采样。对某一被测参数连续采样n次（一般次（一般n应为奇数），然后将应为奇数），然后将这些采样值进行排序，选取中间值为本次采样值。这些采样值进行排序，选取中间值为本次采样值。适用：滤除由于偶然因素引起采样值波动的脉冲干扰，对变化适用：滤除由于偶然因素引起采样值波动的脉冲干扰，对变化缓慢的被测参数有良好的滤波效果，但不适用于快速变化的过程缓慢的被测参数有良好的滤波效果，但不适用于快速变化的过程参数。参数。6）惯性滤波）惯性滤波 硬件硬件RC滤波器的缺点：难以实现抑制低频干扰滤波器的缺点：难以实现抑制低频干扰大时间常数大时间常数的的RC网络不易制作。因为增大网络的网络不易制作。因为增大网络的R值会引起信号较大幅值衰值会引起信号较大幅值衰减，而增大减，而增大C值，则使电容的漏电和等效串联电感也随之增大，值，则使电容的漏电和等效串联电感也随之增大，影响滤波效果。影响滤波效果。方法：模拟方法：模拟RC滤波器电路如图滤波器电路如图8-9所示。设采样周期为所示。设采样周期为T,离离散化后有散化后有令滤波平滑系数：令滤波平滑系数：显然平滑系数小于显然平滑系数小于1，则，则此式即为惯性滤波算法，其中的此式即为惯性滤波算法，其中的根据实际情况确定。根据实际情况确定。2.冗余技术冗余技术 所谓冗余，也称容错技术或故障掩盖技术，就是为了保证整所谓冗余，也称容错技术或故障掩盖技术，就是为了保证整个系统在局部发生故障时能够正常工作，而在系统中设置一些个系统在局部发生故障时能够正常工作，而在系统中设置一些备份部件，一旦故障发生便启动备份部件投入工作，使系统保备份部件，一旦故障发生便启动备份部件投入工作，使系统保持正常工作。持正常工作。1）硬件冗余）硬件冗余 2）信息冗余技术）信息冗余技术3）指令冗余）指令冗余 在程序中人为地插入一些空操作指令在程序中人为地插入一些空操作指令NOP或将有效的单字或将有效的单字节指令重复书写，此即指令冗余技术。由于空操作指令为单字节指令重复书写，此即指令冗余技术。由于空操作指令为单字节指令，且对计算机的工作状态无任何影响，这样就会使失控节指令，且对计算机的工作状态无任何影响，这样就会使失控的程序在遇到该指令后，能够调整其的程序在遇到该指令后，能够调整其 PC 值至正确的轨道，使值至正确的轨道，使后续的指令得以正确地执行。后续的指令得以正确地执行。3.软件陷阱技术软件陷阱技术 指令冗余使跑飞的程序安定下来是有条件的，首先跑飞的程指令冗余使跑飞的程序安定下来是有条件的，首先跑飞的程序必须落到程序区，其次必须执行到冗余指令。当跑飞的程序序必须落到程序区，其次必须执行到冗余指令。当跑飞的程序落到非程序区落到非程序区(如如EPROM中未使用的空间、程序中的数据表格中未使用的空间、程序中的数据表格区区)时，对此情况采取的措施就是设立软件陷阱。时，对此情况采取的措施就是设立软件陷阱。软件陷阱，就是在非程序区设置拦截措施，使程序进入陷阱，软件陷阱，就是在非程序区设置拦截措施，使程序进入陷阱，即通过一条引导指令，强行将跑飞的程序引向一个指定的地址，即通过一条引导指令，强行将跑飞的程序引向一个指定的地址，在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。如果我们把这在那里有一段专门对程序出错进行处理的程序。如果我们把这段程序的入口标号称为段程序的入口标号称为ERROR的话，软件陷阱即为一条的话，软件陷阱即为一条 JMP ERROR指令。为加强其捕捉效果，一般还在它前面加上两条指令。为加强其捕捉效果，一般还在它前面加上两条NOP指令，因此真正的软件陷阱是由指令，因此真正的软件陷阱是由3条指令构成：条指令构成：NOPNOPJMP ERROR4.程序运行监视系统程序运行监视系统1）Watchdog Timer工作原理工作原理2）Watchdog Timer实现方法实现方法 在在CPU正常工作时，每隔一定时间正常工作时，每隔一定时间(小于小于X5045的定时时间的定时时间)运行一次这个访问程序，运行一次这个访问程序，X5045就不会产生溢出脉冲。一旦就不会产生溢出脉冲。一旦CPU陷入死循环，不再执行该程序也即不对陷入死循环，不再执行该程序也即不对 X5045进行访问，进行访问，则则X5045就会在就会在RESET端输出宽度端输出宽度100ms400ms的正脉冲，足的正脉冲，足以使以使CPU复位。复位。5.编写软件的其他注意事项编写软件的其他注意事项1）尽量采用单字节指令，以减少因干扰而程序乱飞的机率。）尽量采用单字节指令，以减少因干扰而程序乱飞的机率。2）慎用堆栈。）慎用堆栈。3）屏蔽中断是受）屏蔽中断是受CPU内部中断允许控制寄存器控制的中断。不内部中断允许控制寄存器控制的中断。不可屏蔽中断不受可屏蔽中断不受CPU内部中断允许控制寄存器控制。系统受到内部中断允许控制寄存器控制。系统受到干扰时，很有可能使中断允许控制寄存器失效，从而使中断关干扰时，很有可能使中断允许控制寄存器失效，从而使中断关闭。因此，闭。因此，“看门狗看门狗”发生的故障信号应接入发生的故障信号应接入CPU的不可屏蔽的不可屏蔽中断输入端中断输入端NMI。MCS-51单片机没有不可屏蔽中断控制方式，单片机没有不可屏蔽中断控制方式，“看门狗看门狗”电路输出的故障信号应接复位信号电路输出的故障信号应接复位信号RESET端。端。4）微机系统所采用的可编程）微机系统所采用的可编程I/O芯片，如芯片，如8255、8251等，原则等，原则上在上电启动后初始化一次即可。但工作模式控制字可能因噪上在上电启动后初始化一次即可。但工作模式控制字可能因噪声干扰等原因受到破坏，使系统输入声干扰等原因受到破坏，使系统输入/输出状态发生混乱。因此，输出状态发生混乱。因此，在应用过程中，每次用到这种接口时，都要对有关功能重新设在应用过程中，每次用到这种接口时，都要对有关功能重新设定一次，确保接口的可靠工作。定一次，确保接口的可靠工作。8.3.2 系统误差的校正系统误差的校正1系统误差系统误差1）恒定系统误差：指在某些测量条件改变时，其绝对值和符）恒定系统误差：指在某些测量条件改变时，其绝对值和符号保持不变的误差。校验仪表时标准表存在的固有误差、仪表号保持不变的误差。校验仪表时标准表存在的固有误差、仪表的基准误差等；的基准误差等；2）变化系统误差：指在测量条件改变时，其绝对值和符号按）变化系统误差：指在测量条件改变时，其绝对值和符号按照一定规律变化的误差。仪表的零点和放大倍数的漂移、温度照一定规律变化的误差。仪表的零点和放大倍数的漂移、温度变化而引入的误差等；变化而引入的误差等；3）非线性系统误差：使用测试仪器时，总希望得到线性的输）非线性系统误差：使用测试仪器时，总希望得到线性的输入输出关系，但实际上，很多变量与测量转换所获得的电信号入输出关系，但实际上，很多变量与测量转换所获得的电信号（往往因传感器的特性是非线性的）都呈非线性关系。例如热（往往因传感器的特性是非线性的）都呈非线性关系。例如热电偶在测温中产生的毫伏信号与温度之间为非线性关系，纸浆电偶在测温中产生的毫伏信号与温度之间为非线性关系，纸浆浓度变送器在测量中输出的电流信号与纸浆浓度之间是非线性浓度变送器在测量中输出的电流信号与纸浆浓度之间是非线性关系，等等。关系，等等。由于传感器、测量电路、放大器等不可避免地存在温度漂由于传感器、测量电路、放大器等不可避免地存在温度漂移和时间漂移，所以会给仪器引入零位误差和增益误差。移和时间漂移，所以会给仪器引入零位误差和增益误差。这些漂移和增益波动误差属于系统误差，必须先建立系统这些漂移和增益波动误差属于系统误差，必须先建立系统误差模型，再根据模型通过自动校准技术削弱该系统误差。误差模型，再根据模型通过自动校准技术削弱该系统误差。2零位误差的校正方法零位误差的校正方法 在每一个测量周期或中断正常的测量过程中，把输入接地在每一个测量周期或中断正常的测量过程中，把输入接地(即使输入为零即使输入为零)，此时整个测量输入通道的输出即为零位输，此时整个测量输入通道的输出即为零位输出出N0(一般其值不为零一般其值不为零)；再把输入接基准电压；再把输入接基准电压VR测得数据测得数据 NR，并将，并将N0和和NR存于内存；然后输入接存于内存；然后输入接Vx，测得，测得 Nx，则测量，则测量结果可用下式计算出来。结果可用下式计算出来。3增益误差的自动校正方法增益误差的自动校正方法 其基本思想是测量基准参数，建立误差校正模型，确定并存其基本思想是测量基准参数，建立误差校正模型，确定并存储校正模型参数。在正式测量时，根据测量结果和校正模型求储校正模型参数。在正式测量时，根据测量结果和校正模型求取校正值，从而消除误差。取校正值，从而消除误差。需要校正时，先将开关接地，所测数据为需要校正时，先将开关接地，所测数据为X0，然后把开关接到，然后把开关接到VR，所测数据为，所测数据为X1，存储，存储X0和和X1，得到校正方程：，得到校正方程：这种校正方法测得信号与放大器的漂移和增益变化无关，降这种校正方法测得信号与放大器的漂移和增益变化无关，降低了对电路器件的要求，达到与低了对电路器件的要求，达到与VR等同的测量精度，但增加等同的测量精度，但增加了测量时间。了测量时间。我我们要要设法找到一个函数法找到一个函数 ，使，使 在在 处与处与 相等，此即为插值问题。满足这个条件的函数相等，此即为插值问题。满足这个条件的函数 称为的插称为的插值函数，值函数，称为插值节点。有了称为插值节点。有了 ，在以后的计算中可以，在以后的计算中可以用用 在区间在区间 上近似代替上近似代替 8.3.3 非线性处理非线性处理在插值法中，在插值法中，有多种选择方法，由于多项式是最容易计算有多种选择方法，由于多项式是最容易计算的一类函数，一般选取的一类函数，一般选取 为为n次多项式，这种插值方法叫做次多项式，这种插值方法叫做代数插值，或多项式插值。代数插值，或多项式插值。因此，所谓代数插值，就是用一个因此，所谓代数插值，就是用一个n次多项式次多项式去逼近去逼近 ，使，使 在节点在节点 处满足处满足 对于前述对于前述 组离散数据，系数组离散数据，系数 应满足的方程组为应满足的方程组为 要用已知的要用已知的 去求解方程组，即可求得去求解方程组，即可求得 从而得到此即为求出插值多项式的最基本的方法。对于每一从而得到此即为求出插值多项式的最基本的方法。对于每一个信号的测量数值个信号的测量数值 就可近似地实时计算出被测量就可近似地实时计算出被测量 1.线性插值线性插值 从一组数据从一组数据 中选取两个有代表性的点中选取两个有代表性的点 和和 ，然后根据插值原理，求出插值方程然后根据插值原理，求出插值方程 上式中的待定系数：上式中的待定系数：并用插值函数并用插值函数 代替未知非线性函数代替未知非线性函数 当当 取在非线性特性曲线或数组的两端点取在非线性特性曲线或数组的两端点A，B时，时，线性插值的几何意义就如图线性插值的几何意义就如图8-13所示。所示。在上图所示的线性插值中，当在上图所示的线性插值中，当 时，时，与与 一般一般不相等，存在拟合误差不相等，存在拟合误差 :若在若在x的全部取值区间的全部取值区间 上始终有上始终有 ，则直线方程，则直线方程 就是满足允许误差的插值方程。用线性插值法校正系统误差时，就是满足允许误差的插值方程。用线性插值法校正系统误差时，只需将测量值只需将测量值 x代入插值方程代入插值方程 进行计算，就得到进行计算，就得到被测量被测量y的校正值。的校正值。2.抛物线插值（二阶插值）抛物线插值（二阶插值）当传感器校准曲线某部分当传感器校准曲线某部分很弯时，如仍用线性插值法，很弯时，如仍用线性插值法，则产生很大误差则产生很大误差。这时可适。这时可适当提高当提高f(x)的阶次，尝试用抛的阶次，尝试用抛物线插值来解决。物线插值来解决。提高插值多项式的次数可以提高校正精度。考虑到实时计算提高插值多项式的次数可以提高校正精度。考虑到实时计算这一情况，多项式的次数一般不宜取得太高，当多项式的次数这一情况，多项式的次数一般不宜取得太高，当多项式的次数在允许范围内仍不能满足校正精度要求时，可以采用分段插值在允许范围内仍不能满足校正精度要求时，可以采用分段插值法。法。3.分段插值法分段插值法1）等距节点分段插值）等距节点分段插值 该方法适用于非线性特性曲率变化不大的场合。基本原理该方法适用于非线性特性曲率变化不大的场合。基本原理是将曲线是将曲线 按等距节点分成按等距节点分成N段，每一段用一个插值多项段，每一段用一个插值多项式式 来代替。来代替。2)不等距节点分段插值不等距节点分段插值 对于曲率变化大的非线性特性，若采用等距节点的方法对于曲率变化大的非线性特性，若采用等距节点的方法进行插值，要使最大误差满足精度要求，分段数进行插值，要使最大误差满足精度要求，分段数N就会变得就会变得很大。这将使多项式的系数组数相应增加。此时更宜采用非很大。这将使多项式的系数组数相应增加。此时更宜采用非等距节点分段插值法。即在线性好的部分，节点间距离取大等距节点分段插值法。即在线性好的部分，节点间距离取大些，反之则取小些，从而使误差达到均匀分布些，反之则取小些，从而使误差达到均匀分布。8.3.4 标度变换标度变换1.线性标度变换线性标度变换 2.非线性标度变换非线性标度变换 实际中许多系统所使用的传感器都是非线性的。这种情况实际中许多系统所使用的传感器都是非线性的。这种情况下应先进行非线性校正，然后再按照前述的标度变换方法，下应先进行非线性校正，然后再按照前述的标度变换方法，进行标度变换。进行标度变换。8.3.5 越限报警越限报警1、上限报警：若、上限报警：若 ，则上限报警，否则执行原定操作，则上限报警，否则执行原定操作 2、下限报警：若、下限报警：若 ，则上限报警，否则执行原定操作，则上限报警，否则执行原定操作 3、上下限报警：若、上下限报警：若 ，则上限报警，否则继续判断，则上限报警，否则继续判断 是否成立，若成立则下限报警，否则执行原定操是否成立，若成立则下限报警，否则执行原定操 作。作。根据上述规定，编写程序可以实现对被控参数、偏差、控制量根据上述规定，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。等进行上下限报警。8.4 输入输出数字量的软件抗干扰技术输入输出数字量的软件抗干扰技术1.输入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。假输入状态信号滤除掉。2.输出数字量的软件抗干扰技术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。字来维持既定的输出端口状态。重复周期尽可能短，外部设备受到一个被干扰的错误信息重复周期尽可能短，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。了，就可及时防止错误动作的发生。习题习题8 l.软件的含义是什么？软件与硬件相比有哪些特点？软件的含义是什么？软件与硬件相比有哪些特点？2.软件设计的一般方法有哪些？它们有什么特点？软件设计的一般方法有哪些？它们有什么特点？3.已知数字控制器的脉冲传递函数为已知数字控制器的脉冲传递函数为D(z)=(z2+1.2z+0.5)/(2z2+1.4z-2)试用以下三种方法实现试用以下三种方法实现D(z)，求出对应的差分方程，并画出对应的实，求出对应的差分方程，并画出对应的实现方框原理图。现方框原理图。(1)直接程序法：直接程序法：(2)串联程序法：串联程序法：(3)并联程序法。并联程序法。4.软件抗干扰技术都有哪些？各有何特点。软件抗干扰技术都有哪些？各有何特点。5.简述零位误差的校正方法。简述零位误差的校正方法。6.简述插值算法的基本原理。简述插值算法的基本原理。7某温度控制系统采用某温度控制系统采用8位位ADC，测量范围为，测量范围为10100，传感器采样，传感器采样并经滤波和非线性校正后的数字量为并经滤波和非线性校正后的数字量为28H，试对其进行标度变换求出，试对其进行标度变换求出所对应的温度值。所对应的温度值。