第五章 计算机控制系统软件设计(基础知识)
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xmax和xmin • 若xn＞xmax，则上限报警； • 若xn＜xmin，则下限报警； • 为避免测量值在极限值一点处来回摆动造成频繁报警,一般应在极
限值附近设置一个回差带。
5.3 数字控制器工程实现 数字控制器是计算机控制系统的最核心部分，其工程设计必须考虑 如下因素： 可靠性：保证控制系统安全可靠地运行 灵活性：方便构成多种控制方案 工程PID数字控制器一般包括以下六部分 :
◆给定值处理◆被控量处理◆偏差处理◆控制算法的实现◆控制量处理◆自动/手动切换技术
5.3 数字控制器工程实现 给定值处理
• 给定值处理包括选择给定值SV和给定值变化率限制SR两部分。 通过选择软开关CL／CR，可以构成内给定状态或外给定状态；
通过选择软开关CAS／SCC，可以构成串级控制或SCC控制。 (1)内给定状态 当软开关CL／CR切向CL位置时，选择操作员设置的给定值SVL
5.1 概述
结构化设计
只用三种基本的控制结构实 现单入口单出口的程序：“ 顺序”、“选择”、“循环 ”。
采用自顶向下逐步求精的设 计方法，把一个复杂问题分 解和细化成由许多模块组成 的层次结构系统。
5.1 概述
5. 程序设计方法
面向过程的程序设计 针对所要实现的功能，设计程序步骤，编写代码实现程序步骤。 局限性： • 可重用性低：对不同格式数据做相同处理或者对相同的数据格式做不同
标度变换的常用方法包括： 线性变换法、公式变换法、其他变换 法
• 线性变换法：前提条件是传感器的输出信号与被测参数之间呈线 性关系
5.2 测量数据预处理技术
数字量Nx对应的工程量Ax的线性标度变换公式为 工程量
Ax
( Am
A0 )
Nx N0 Nm N0
A0
A0测量范围最小值
Am测量范围最大值
5.1 概述
3. 计算机控制系统软件设计流程
（1）分析用户的要求，大约占整个程序设计工作 量的10%；
（2）编写程序的说明，大约占10%；
（3）进行程序的设计与编码，大约占30%左右， 其中设计与编码几乎各占15%； （4）进行测试和调试，这要花费整个程序设计工 作量的40%以上。
5.1 概述
4. 程序设计思想
第五章 计算机控制系统软件设计
中国石油大学信息与控制工程 学院自动化系
5.1 概述 5三.2 测量数据预处理技术 5五.3 数字控制器的工程实现 5六.4 工业控制组态软件
5.1 概述
计算机控制系统软件是工业控制机的程序系统，是控制理论和控制 算法的实现载体和运行平台。 包括系统软件、支撑软件和应用软件 系统软件管理计算机资源，支持计算机基本操作（windows）。 对应用软件开发起支撑作用的软件平台（Word，Visual C++等） 应用软件针对某类实际应用问题研制（控制、显示等程序）。 计算机控制系统的软件设计指应用软件的设计。 计算机控制系统应用软件设计方法 方法1：由用户利用计算机语言自行编制 方法2：利用商品化组态软件进行模块组态
成了数据抽象和操作抽象，并引入了继承 机制，实现了可扩充性 。 • 消息的传递机制：与结构化方法中的参数调用不同，同一消息的多次传
递可能产生不同结果
5.2 测量数据预处理技术
计算机控制系统中，传感器把生产过程的信号转换成电信号，然 后用A／D转换器把模拟信号变成数字信号。
为提高系统可靠性，一般要从软件方面对A/D转换后信号进行一 些预处理。
5.3 数字控制器工程实现
（3）非线性特性 可实现非线性的PID控制（如带死区的PID控制）
（4）输入补偿 根据输入补偿方式ICM状态，决定偏差DVC与输入补偿量ICV之间的关
系，即 当ICM=0，代表无补偿，此时CDV=DVC； 当ICM=1，代表加补偿，此时CDV=DVC+ICV; 当ICM=2，代表减补偿，此时CDV=DVC-ICV; 当ICM=3，代表置换补偿，此时CDV=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控制等。
前置放大器 模数转换器
计算机
算机中存储为零点偏移值V0 V1
A
A/D
CPU
• 采集其他信号Vi，调零后的 Vn 数值为Vi-V0
图 8-1 数字调零电路
5.2 测量数据预处理技术 自动校准
输入电压VS 基准电压VR
输入及放大 电路
A/D 转换器
计算机
控制
全自动校准电路
V
x x0 x1 x0
则此时温度为：
（1350-0）/(5-1)*(2.08-1)=364.5
公式变换法：如果传感器的输出信号与被测参数之间不是线性关系，但 是它们的函数关系可用解析式来表示.
• 流体的流量与被测流体流过节流装置前后产生的压力差的平方根成正比,
于是得到测量流量时的标度变换公式为
Qx (Qm Q0)
Nx Nm
N0 N0
Q0
• • •
QQQ0mx：：：差被差压测压流液流量体量仪的仪表流表的量的下测上限量限值值值;;;
• • •
NNN0mx：：：差差差压压压流流流量量量仪仪仪表表表下测上限得限数差数字 压字量值量所;; 对应的数字量.
5.2 测量数据预处理技术
其他变换法
查表法：把事先计算或测得的数据按照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值或者中间结果,查出最终所需要 的结果.它是一种非数值计算方法,利用这种方法可以完成数据的 补偿、计算、转换等各种工作. 如热电偶的mV-℃分度表,
误差自动校准 线性化处理 标度变换 越限报警处理
5.2 测量数据预处理技术
误差自动校准
常用校准方式 • 数字调零：使用数字调零电路测量零输入时候的输出 • 自动校准：通过自动测量基准电压时的输入信号，计算校准方程
，获得补偿因子，从而消• 采集第0路的接地信号，计 V0
模块化设计
把复杂的软件分解成若干个功能模块，每个模块执行单一的功能，并具 有输入输出接口。
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，然后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。
自顶向下模块化设计
首先对最高层进行编码、测试和调试，用“结点”来代替还未编码的 较低层模块，“结点” 满足程序的部分要求，但功能少得多。一般适合用 高级语言来设计程序。
。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。
5.3 数字控制器工程实现
(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，可以实现以下两种控制 方式。
①SCC控制:当软开关CAS／SCC切向SCC位置时，接收来自上位计算机 的给定值SVS，以便实现二级计算机控制。
②串级控制:当软开关CAS／SCC切向CAS位置时，给定值SVC来自主调 节模块，实现串级控制。
(3)给定值变化率限制 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SR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。
5.3 数字控制器工程实现 被控量处理
处理都需要编写不同程序 • 可维护性差：小的功能改变涉及很多相关程序，程序可修改性差，维护
困难 • 数据和过程的相容性差：数据与过程相对独立，易造成全局数据在无意
中被其他函数改动。
5.1 概述
面向对象的程序设计 更加强调使用人类思维的方法设计程序和软件，提高了程序的可理解性
、可靠性、可维护性、可重用性。 • 对象：包括数据和数据操作的整体，是模块概念的提升 • 类：定义了一组具有共同特征的数据和可以作用其上 的一组操作，集
A0
(1200 400)
171 255
400
936Pa
5.2 测量数据预处理技术
例：某热处理炉温度变化范围为0℃-1350℃，经温度变送器变换为1-5V电 压，送至ADC0809（输入范围为0-5V）。当ADC0809的转换结果为6AH， 问此时的炉内温度为多少度？
答：6AH时对应的电压为：2.08
Am Ax
A0 N0
数字量 Nx Nm
例: 某压力测量仪表量程为400～1200pa，采用8位A/D转换器，求数 字量ABH所对应的压力值。
取A0 400Pa, Am 1200Pa，N0 00H , Nm FFH 255 而Nx ABH 171
则Ax
( Am
A0 )
Nx Nm
N0 N0
多项式变换法：有些传感器的输出信号与被测参数之间虽为非线 性关系,但它们的函数关系无法用一个解析式来表示,或者解析式 过于复杂而难于直接计算.这时可以采用一种既计算简便又能满足 实际工程要求的近似表达式──插值多项式来进行标度变换.
5.2 测量数据预处理技术 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安全监控方式。 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是
VR
x0为地输入测量值； x1为基准电压输入测量值。
可有效校正放大器漂移和增益变化引起的误差
5.2 测量数据预处理技术
线性化处理和非线性补偿
线性化处理 • 热敏电阻温度t与阻值R之间是非线性关系，其计
算量较大,程序也较复杂。为使计算简单,提高实 时性,可采用分段线性化的方法。 • 如果获得测量数据，首先判断处于那一折线段中 ，然后按照相应的线性化公式进行计算。
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。
5.3 数字控制器工程实现 偏差处理
输入 补偿
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 (1)计算偏差：根据正／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 ：对于控制要求较高的对象，不仅要设置被控制量PV的上、 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”。
限值附近设置一个回差带。
5.3 数字控制器工程实现 数字控制器是计算机控制系统的最核心部分，其工程设计必须考虑 如下因素： 可靠性：保证控制系统安全可靠地运行 灵活性：方便构成多种控制方案 工程PID数字控制器一般包括以下六部分 :
◆给定值处理◆被控量处理◆偏差处理◆控制算法的实现◆控制量处理◆自动/手动切换技术
5.3 数字控制器工程实现 给定值处理
• 给定值处理包括选择给定值SV和给定值变化率限制SR两部分。 通过选择软开关CL／CR，可以构成内给定状态或外给定状态；
通过选择软开关CAS／SCC，可以构成串级控制或SCC控制。 (1)内给定状态 当软开关CL／CR切向CL位置时，选择操作员设置的给定值SVL
5.1 概述
结构化设计
只用三种基本的控制结构实 现单入口单出口的程序：“ 顺序”、“选择”、“循环 ”。
采用自顶向下逐步求精的设 计方法，把一个复杂问题分 解和细化成由许多模块组成 的层次结构系统。
5.1 概述
5. 程序设计方法
面向过程的程序设计 针对所要实现的功能，设计程序步骤，编写代码实现程序步骤。 局限性： • 可重用性低：对不同格式数据做相同处理或者对相同的数据格式做不同
标度变换的常用方法包括： 线性变换法、公式变换法、其他变换 法
• 线性变换法：前提条件是传感器的输出信号与被测参数之间呈线 性关系
5.2 测量数据预处理技术
数字量Nx对应的工程量Ax的线性标度变换公式为 工程量
Ax
( Am
A0 )
Nx N0 Nm N0
A0
A0测量范围最小值
Am测量范围最大值
5.1 概述
3. 计算机控制系统软件设计流程
（1）分析用户的要求，大约占整个程序设计工作 量的10%；
（2）编写程序的说明，大约占10%；
（3）进行程序的设计与编码，大约占30%左右， 其中设计与编码几乎各占15%； （4）进行测试和调试，这要花费整个程序设计工 作量的40%以上。
5.1 概述
4. 程序设计思想
第五章 计算机控制系统软件设计
中国石油大学信息与控制工程 学院自动化系
5.1 概述 5三.2 测量数据预处理技术 5五.3 数字控制器的工程实现 5六.4 工业控制组态软件
5.1 概述
计算机控制系统软件是工业控制机的程序系统，是控制理论和控制 算法的实现载体和运行平台。 包括系统软件、支撑软件和应用软件 系统软件管理计算机资源，支持计算机基本操作（windows）。 对应用软件开发起支撑作用的软件平台（Word，Visual C++等） 应用软件针对某类实际应用问题研制（控制、显示等程序）。 计算机控制系统的软件设计指应用软件的设计。 计算机控制系统应用软件设计方法 方法1：由用户利用计算机语言自行编制 方法2：利用商品化组态软件进行模块组态
成了数据抽象和操作抽象，并引入了继承 机制，实现了可扩充性 。 • 消息的传递机制：与结构化方法中的参数调用不同，同一消息的多次传
递可能产生不同结果
5.2 测量数据预处理技术
计算机控制系统中，传感器把生产过程的信号转换成电信号，然 后用A／D转换器把模拟信号变成数字信号。
为提高系统可靠性，一般要从软件方面对A/D转换后信号进行一 些预处理。
5.3 数字控制器工程实现
（3）非线性特性 可实现非线性的PID控制（如带死区的PID控制）
（4）输入补偿 根据输入补偿方式ICM状态，决定偏差DVC与输入补偿量ICV之间的关
系，即 当ICM=0，代表无补偿，此时CDV=DVC； 当ICM=1，代表加补偿，此时CDV=DVC+ICV; 当ICM=2，代表减补偿，此时CDV=DVC-ICV; 当ICM=3，代表置换补偿，此时CDV=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控制等。
前置放大器 模数转换器
计算机
算机中存储为零点偏移值V0 V1
A
A/D
CPU
• 采集其他信号Vi，调零后的 Vn 数值为Vi-V0
图 8-1 数字调零电路
5.2 测量数据预处理技术 自动校准
输入电压VS 基准电压VR
输入及放大 电路
A/D 转换器
计算机
控制
全自动校准电路
V
x x0 x1 x0
则此时温度为：
（1350-0）/(5-1)*(2.08-1)=364.5
公式变换法：如果传感器的输出信号与被测参数之间不是线性关系，但 是它们的函数关系可用解析式来表示.
• 流体的流量与被测流体流过节流装置前后产生的压力差的平方根成正比,
于是得到测量流量时的标度变换公式为
Qx (Qm Q0)
Nx Nm
N0 N0
Q0
• • •
QQQ0mx：：：差被差压测压流液流量体量仪的仪表流表的量的下测上限量限值值值;;;
• • •
NNN0mx：：：差差差压压压流流流量量量仪仪仪表表表下测上限得限数差数字 压字量值量所;; 对应的数字量.
5.2 测量数据预处理技术
其他变换法
查表法：把事先计算或测得的数据按照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值或者中间结果,查出最终所需要 的结果.它是一种非数值计算方法,利用这种方法可以完成数据的 补偿、计算、转换等各种工作. 如热电偶的mV-℃分度表,
误差自动校准 线性化处理 标度变换 越限报警处理
5.2 测量数据预处理技术
误差自动校准
常用校准方式 • 数字调零：使用数字调零电路测量零输入时候的输出 • 自动校准：通过自动测量基准电压时的输入信号，计算校准方程
，获得补偿因子，从而消• 采集第0路的接地信号，计 V0
模块化设计
把复杂的软件分解成若干个功能模块，每个模块执行单一的功能，并具 有输入输出接口。
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，然后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。
自顶向下模块化设计
首先对最高层进行编码、测试和调试，用“结点”来代替还未编码的 较低层模块，“结点” 满足程序的部分要求，但功能少得多。一般适合用 高级语言来设计程序。
。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。
5.3 数字控制器工程实现
(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，可以实现以下两种控制 方式。
①SCC控制:当软开关CAS／SCC切向SCC位置时，接收来自上位计算机 的给定值SVS，以便实现二级计算机控制。
②串级控制:当软开关CAS／SCC切向CAS位置时，给定值SVC来自主调 节模块，实现串级控制。
(3)给定值变化率限制 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SR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。
5.3 数字控制器工程实现 被控量处理
处理都需要编写不同程序 • 可维护性差：小的功能改变涉及很多相关程序，程序可修改性差，维护
困难 • 数据和过程的相容性差：数据与过程相对独立，易造成全局数据在无意
中被其他函数改动。
5.1 概述
面向对象的程序设计 更加强调使用人类思维的方法设计程序和软件，提高了程序的可理解性
、可靠性、可维护性、可重用性。 • 对象：包括数据和数据操作的整体，是模块概念的提升 • 类：定义了一组具有共同特征的数据和可以作用其上 的一组操作，集
A0
(1200 400)
171 255
400
936Pa
5.2 测量数据预处理技术
例：某热处理炉温度变化范围为0℃-1350℃，经温度变送器变换为1-5V电 压，送至ADC0809（输入范围为0-5V）。当ADC0809的转换结果为6AH， 问此时的炉内温度为多少度？
答：6AH时对应的电压为：2.08
Am Ax
A0 N0
数字量 Nx Nm
例: 某压力测量仪表量程为400～1200pa，采用8位A/D转换器，求数 字量ABH所对应的压力值。
取A0 400Pa, Am 1200Pa，N0 00H , Nm FFH 255 而Nx ABH 171
则Ax
( Am
A0 )
Nx Nm
N0 N0
多项式变换法：有些传感器的输出信号与被测参数之间虽为非线 性关系,但它们的函数关系无法用一个解析式来表示,或者解析式 过于复杂而难于直接计算.这时可以采用一种既计算简便又能满足 实际工程要求的近似表达式──插值多项式来进行标度变换.
5.2 测量数据预处理技术 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安全监控方式。 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是
VR
x0为地输入测量值； x1为基准电压输入测量值。
可有效校正放大器漂移和增益变化引起的误差
5.2 测量数据预处理技术
线性化处理和非线性补偿
线性化处理 • 热敏电阻温度t与阻值R之间是非线性关系，其计
算量较大,程序也较复杂。为使计算简单,提高实 时性,可采用分段线性化的方法。 • 如果获得测量数据，首先判断处于那一折线段中 ，然后按照相应的线性化公式进行计算。
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。
5.3 数字控制器工程实现 偏差处理
输入 补偿
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 (1)计算偏差：根据正／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 ：对于控制要求较高的对象，不仅要设置被控制量PV的上、 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”。
