WX05微型計算機控制技術第五章課件

第5章常用應用程序設計本章以51單片機為基礎，主要介紹結構化匯編語言的監(jiān)控程序設計思想和實時測控系統(tǒng)中最常用的數字濾波技術、標度變換、插值算法以及報警程序設計等。程序與程序設計的概念使用計算機求解某些問題或完成某一特定功能，就要先對問題或特定功能進行分析，確定形成的算法和步驟，然后選擇相應的指令，按一定順序排列起來，這樣就構成了求解某一問題或實現特定功能的程序。通常把這一編制程序的工作稱為程序設計。常用程序設計語言有匯編語言、C語言等。程序設計的基本步驟：

(1)分析問題。弄清問題要求，對問題有正確理解。

(2)算法設計。針對問題設計一個能完成相應功能的算法，盡可能速度快，占有計算機存儲量小。

(3)程序結構設計。模塊化方法、自頂向下逐步求精的方法進行設計。

(4)編寫源程序。

(5)建立可運行的目標程序。

(6)程序的調試與修改。

(7)編制程序的說明文件。5.2數字濾波技術數字濾波就是通過一定的計算程序，對測量信號(采樣數據)進行平滑加工，提高其有用信號，消除或減少各種干擾和噪音，以保證計算機控制系統(tǒng)的可靠性。

數字濾波器與模擬濾波器相比優(yōu)點如下：(1)無需增加任何硬件設備，在程序進入數據處理和控制算法之前，附加一段數字濾波程序即可。(2)由于數字濾波器不需要增加硬件設備，各回路間不存在阻抗匹配問題，所以系統(tǒng)可靠性高。(3)數字濾波器可多通道共享，從而降低了成本，而對于模擬濾波器，通常是各通道專用的。(4)可以對頻率很低的信號進行濾波，而模擬濾波器由于受電容容量的限制，頻率不可能太低。(5)可根據需要選擇不同的濾波方法或改變?yōu)V波器的參數，使用靈活、方便。

常用數字濾波器5.2.1中值濾波5.2.2程序判斷濾波5.2.3平均值濾波5.2.4一階滯后濾波5.2.1中值濾波中值濾波的設計思想

對某一參數連續(xù)采樣N次(一般N取奇數，多數情況下N=3)，然后把N次采樣值從小到大(或從大到小)排隊，取中間值作為本次采樣值。中值濾波的特點這種方法對于去掉偶然因素引起的波動或采樣器不穩(wěn)定而造成的誤差所引起的脈沖干擾比較有效。若變量變化比較緩慢，則采用中值濾波效果比較好，但對快速變化的參數，則不宜采用。5.2.2程序判斷濾波程序判斷濾波的設計思想根據生產經驗，確定出相鄰兩次采樣信號之間可能出現的最大偏差Δy。若信號采樣值與上次采樣值的偏差超過此偏差值，則表明該輸入信號是干擾信號，應該去掉；若小于此偏差值，則可將該信號作為本次采樣值。程序判斷濾波的分類程序判斷濾波根據濾波方法的不同，可分為限幅濾波和限速濾波兩種。

限幅濾波的用途和使用注意事項：

限幅濾波主要用于變化比較緩慢的參數，如溫度。使用時，關鍵問題是最大允許誤差Δy的選取，Δy太大，各種干擾信號將“乘機而入”，使系統(tǒng)誤差增大；Δy太小，又會使某些有用信號被“拒之門外”，使計算機采樣效率變低。因此，門限值Δy的選取是非常重要的。限速濾波

方法是：當|y(2)–y(1)|>Δy時，不像限幅濾波那樣，用y(1)作為本次采樣值，而是再采樣一次，取得y(3)，然后根據|y(3)–y(2)|與Δy的大小關系來決定本次采樣值。其具體判別式如下：

設順序采集的參數分別是y(1)，y(2)，y(3)，那么當|y(2)–y(1)|≤Δy時，則取y(2)；當|y(2)–y(1)|>Δy時，則不采用y(2)，繼續(xù)采樣取得y(3)；當|y(3)–y(2)|≤Δy時，則取y(3)；當|y(3)–y(2)|>Δy時，則取|y(3)+y(2)|/2。限速濾波的用途和使用注意事項：

限速濾波是一種折衷的方法，既照顧了采樣的實時性，又顧及了采樣值變化的連續(xù)性。但這種方法也有明顯的缺點：第一，Δy的確定不夠靈活，必須根據現場的情況不斷更換新值；第二，不能反映采樣點數N>3時各采樣數值受干擾的情況。因此，它的應用受到一定的限制。

在實際使用中，可用[|y(1)–y(2)|+|y(2)–y(3)|]/2取代Δy，這樣也基本保持限速濾波的特性，雖增加運算，但靈活性有所提高。5.2.3平均值濾波1.算術平均值濾波尋找一個Y它與各采樣值Xk之間誤差的平方和E為最小。根據極值原理得：××××××××××××××××××××××××算術平均值法濾波對干擾的抑制×－各采樣時刻得到的采樣值；虛線－濾波器輸出值(a)無干擾情況；(b)有規(guī)則干擾情況；(c)帶脈沖干擾情況連續(xù)取N個采樣值進行算術平均運算。N值較大時：信號平滑度較高，但靈敏度較低；N值較小時：信號平滑度較低，但靈敏度較高；N值的選取：一般流量，N=12；壓力：N=4。算術平均值濾波主要適用于對壓力、流量等周期脈動的采樣值進行平滑加工，但對于脈沖性干擾信號的平滑效果欠佳。

一般采樣值次數愈靠后，取的比例愈大，這樣可增加新的采樣值在平均值中所占的比例。這種濾波方法可以根據需要突出信號的某一部分來抑制信號的另一部分，適用于系統(tǒng)純滯后時間較大而采樣周期較短的過程。

3.滑動平均值濾波特點：每計算一次有效采樣值必須連續(xù)進行N次采樣。滑動平均濾波是在每個采樣周期只采樣一次，將這一次采樣值和過去的若干次采樣值一起求平均，所得結果即為當前有效采樣值。具體作法：可用循環(huán)隊列結構方式來實現數據的存放。比如取N個采樣值求滑動平均，只要在RAM中開辟N個數據暫存區(qū)，每次新采集一個數據便存入暫存區(qū)的隊尾，同時沖掉隊首的一個數據，這樣在存儲器隊列中始終保持有N個最新的數據。再求包括新數據在內的N個數據的算術平均值或加權平均值。5.2.4一階滯后濾波X(s)Y(s)CR由于大的時間常數及高精度的RC電路不易制作，所以硬件RC濾波器不可能對極低頻率的信號進行濾波。一階滯后濾波是模擬RC濾波器的數字形式：

A、優(yōu)點：

對周期性干擾具有良好的抑制作用

適用于波動頻率較高的場合

B、缺點：

相位滯后，靈敏度低

滯后程度取決于a值大小

5.2.5復合濾波防脈沖干擾的算術平均值濾波算法（去掉Xmax和Xmin）：而算術平均值濾波：優(yōu)點：兼有了中值濾波和算術平均值濾波的優(yōu)點。缺點：執(zhí)行時間較長。5.2.6各種數字濾波性能的比較2．濾波時間在考慮濾波效果的前提下，應盡量采用執(zhí)行時間比較短的程序，若計算機計算時間允許，可采用效果更好的復合濾波程序。注意事項：在實際應用中，究竟采用哪一種數字濾波，都應視具體情況而定。如果同時采用幾種濾波方法，一般先用中位值濾波或限幅濾波，然后再用平均值濾波法。數字濾波應用得不恰當，非但達不到濾波效果還會降低控制品質。5.3標度變換5.3.1線性參數的標度變換為了運算、顯示或打印輸出，必須把數字量轉換成操作人員所熟悉的工程量，即轉換為帶有原工程量綱的數值。這種轉換稱為工程量轉換，也稱為標度變換

5.3標度變換設被測參數與A/D轉換后的數字量之間呈線性關系，則標度變換公式為：如果被測參數的起點A0所對應的A/D轉換值為0，即N0=0，則上述標度變換公式可簡化為：非線性標度變換應根據具體情況具體分析，一般采用查表法。例:某加熱爐溫度測量元件的量程為100～500℃，系統(tǒng)的A/D轉換器為8位。若某一時刻溫度測量元件送出的信號經A/D轉換器轉換后的數字量為80H，求此時的溫度值(設溫度測量元件的量程是線性的)。解：根據式(5-7)，=100，=500，=00H，=FFH=255,=80H=128所以,此時的溫度為5.4插值算法5.4.1線性插值算法在進行控制系統(tǒng)設計時，總希望輸出和輸入呈簡單的線性關系。在實際工程中，測量信號和被測物理量之間經常存在非線性關系。如溫度測量中熱電偶的輸出和溫度的關系即為非線性。在計算機控制系統(tǒng)中，需要通過數據處理程序將非線性關系變化為線性關系。對于可以用解析式明確表達的非線性函數關系，可借助高級語言程序完成線性化處理?；蛴酶呒壵Z言完成離線計算，將結果存在數據表中，通過查表的方式完成線性化處理。本節(jié)主要講線性插值原理進行線性化處理。線性插值原理某傳感器的輸入輸出特性如下圖：將該非線性關系的曲線按一定要求分成若干段，然后把相鄰分段點用直線連接起來。用直線代替相應曲線。由此可求出輸入x對于的輸出y設x在[xi，xi+1]區(qū)間內，則對應的逼近式為：5.4.2二次拋物線插值算法二次拋物線插值法xx2x1x0yCBA二次拋物線插值法的原理是，通過曲線上的三個已知點作一條拋物線，用此拋物線代替該段的曲線。如圖所示，有一函數y=f(x)，用拋物線來逼近它.5.4.2二次拋物線插值算法二次拋物線插值法xx2x1x0yCBA其一般形式為：

y=k0+k1x+k2x2

式中，k0、k1、k2為待定系數，由曲線y=f(x)的三個點A、B、C聯(lián)立方程組求得。已知點A(x0,y0)、B(x1,y1)、C(x2,y2)的數值，求出k0、k1、k2，然后根據測量值x用公式求出相應的y值。5.5查表順序查表法順序查表法是針對無序排列表格的一種方法。因為無序表格中所有各項的排列均無一定的規(guī)律。所以，只能按照順序從第一項開始逐項尋找，直到找到所要查找的關鍵字為止。在程序設計時，已知條件應該是表格的長度及表的起始地址，在查找過程中應該不斷的進行地址修改和計數，直到找到關鍵字。若表中無此關鍵字，需要給出提示。在控制系統(tǒng)中，如果已經建立了表格，其地址是按一定規(guī)律排列的，而且要查找的內容與表格有一定關系時，則可通過簡單的計算，找出所需的地址，然后從相應的內存單元中取出結果，這種方法就是計算查表法。計算查表法對分查表法當需要查找表中的數據元素有序(假設遞增有序)，則在查找時可不必逐個比較，而采用跳躍式的方式，即先與“中間”位置的數據元素比較，若相等，則查找成功；若給定值大于“中間位置”的數據元素，則在查找表的后半部分繼續(xù)進行二分查找，否則在前半部分進行二分查找。5.6電機控制程序設計5.6.1步進電機控制程序設計5.6.2直流電機控制程序設計5.7報警程序設計報警處理程序一般都需要根據系統(tǒng)的要求編寫，如有的報警系統(tǒng)要求能夠發(fā)出聲光報警信號、記錄報警時間和報警參數或進行自動處理等。雖然不同系統(tǒng)的報警處理程序是不一樣的，但報警程序的設計基本思想是相同的。報警程序主要有以下幾個步驟組成：

(1)采樣被測參數；(2)比較采樣值和給定值的上下限；(3)根據比較結果執(zhí)行相應的處理程序。在控制系統(tǒng)中，報警參數可以是被控參數、被測參數、輸入偏差或控制量等，設需要判斷的報警參數為XK，XK為當前數據，該參數的上、下限約束值分別為XH和XL，則越限報警有如下幾種形式：上限報警若XK＞XH，則發(fā)出上限報警，否則繼續(xù)執(zhí)行原定操作。上、下限報警若XK＞XH，則上限報警；否則，判斷XK＜XL嗎？若是，則下限報警；否則，繼續(xù)執(zhí)行原定操作。

具體設計報警程序時，為了避免測量值在極限值一點處來回擺動造成頻繁報警，一般應在極限值附近設置一個回差帶，如圖5-17所示。被測值上限值下限值越上限報警復限復限越下限報警ABCDHL圖5-17越限報警示意圖目的：防止不必要的報警動作。本章小結本章主要講述了微機控制系統(tǒng)中軟件設計的概念和基本設計思想、常用的數字濾波算法、標度變換和插值算法、查表算法