第4章 控制系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)(數(shù)據(jù)處理)

第4章

控制系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

（數(shù)據(jù)處理）本章主要內(nèi)容4.1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4.2測量數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)4.1數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一、基本概念二、查表技術(shù)本節(jié)主要內(nèi)容數(shù)據(jù)（Data）——描述客觀事物的數(shù)字、字符，以及一切能夠輸入到計(jì)算機(jī)中的、并能被計(jì)算機(jī)程序處理的符號集合。簡言之，數(shù)據(jù)就是計(jì)算機(jī)加工處理的“原料”。數(shù)據(jù)元素（DataElement）——數(shù)據(jù)的基本單元，即在數(shù)據(jù)集合中的客體，數(shù)據(jù)元素也稱為數(shù)據(jù)結(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)對象（DataObject）——具有相同特性數(shù)據(jù)元素的集合，它是數(shù)據(jù)集合中的子集。一、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基本概念1.線性表2.堆棧3.隊(duì)列隊(duì)列是先進(jìn)先出表。表中元素以的順序進(jìn)入，以相同的順序出去。是一種特殊結(jié)構(gòu)的線性表，限定在表的一端進(jìn)行插入或刪除。4.數(shù)組數(shù)組是下標(biāo)（Index）與值（Value）組成的數(shù)偶的有序集合。對二維數(shù)組邏輯上可以作如下定義：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)B=（K，R），其中K是m×n個(gè)元素集合：

K={Kij│1≤i≤m，1≤j≤n}而R由兩種關(guān)系組成的集合，其分別為：行關(guān)系：ROW={（Ki,j，Ki,j+1）│1≤i≤m，1≤j≤n}列關(guān)系：COL={（Ki,j，Ki+1,j）│1≤i≤m，1≤j≤n}5.鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)圖1

鏈表示意圖鏈表由若干個(gè)結(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)結(jié)點(diǎn)有兩個(gè)域：一個(gè)是數(shù)據(jù)域，用來存放數(shù)據(jù)元素；另一個(gè)是指針域，用來存放下一個(gè)結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)域首地址。6.樹樹是由一個(gè)或多個(gè)結(jié)點(diǎn)組成的有限集合，它滿足以下兩個(gè)條件：①有一個(gè)特定的結(jié)點(diǎn)，稱為根結(jié)點(diǎn)；②其余的結(jié)點(diǎn)分成個(gè)互不相交的有限集合。稱為根結(jié)點(diǎn)的子樹。二、查表技術(shù)

在控制系統(tǒng)中有些參數(shù)的計(jì)算是非常復(fù)雜的，用公式計(jì)算不僅程序長，難于計(jì)算，而且需要耗費(fèi)大量時(shí)間。還有一些非線性參數(shù)，它們不是用一般算術(shù)運(yùn)算就可以計(jì)算出來的，而是要涉及指數(shù)，對數(shù)、三角函數(shù)以及積分、微分等運(yùn)算。所有這些運(yùn)算用匯編語言/C語音室編寫程序都比較復(fù)雜，有些參數(shù)甚至無法建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。為了解決這些問題可以采用查表法。所謂查表法就是把事先計(jì)算或測量的數(shù)據(jù)按一定順序編制成表格，查表程序的任務(wù)就是根據(jù)被測參數(shù)的值或中間結(jié)果，查出最終所需要的數(shù)據(jù)。查表程序的繁簡程度及查詢時(shí)間的長短，除與表格的長短有關(guān)外，很重要的因素在于表格的排列方法。一般的講，表格有兩種排列方法:（1）無序表格，即表中的數(shù)是任意排列的；（2）有序表格，即表中的數(shù)是按一定的順序排列的。主要有順序查表法、計(jì)算查表法、對分搜索法等。1.順序查表法

順序查表法的步驟如下：（1）設(shè)定表格的起始地址。（2）設(shè)定表格的長度。（3）設(shè)定要搜索的關(guān)鍵字。（4）從表格的第一項(xiàng)開始，比較表格數(shù)據(jù)和關(guān)鍵字，進(jìn)行數(shù)據(jù)搜索。主要針對無序排列的表格，基本思想是：從表的一端開始，順序掃描線性表，依次將掃描到的結(jié)點(diǎn)關(guān)鍵字和給定關(guān)鍵字相比較。若掃描到的兩個(gè)關(guān)鍵字相等，則查找成功，否則失敗。圖2查表法程序流程圖2.計(jì)算查表法

基本思想:在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，一般使用的都是線性表。它是若干數(shù)據(jù)元素x1,x2,…,xn的集合，各數(shù)據(jù)元素在表中的排列方法及所占用的存儲器單元個(gè)數(shù)都是一樣的。因此，要搜索的內(nèi)容與表格的排列有一定的關(guān)系。對于這種表格，為了提高速度，可以去掉從頭到尾的逐一進(jìn)行比較的辦法，只要根據(jù)所給元素xi，通過一定的計(jì)算，求出元素所對應(yīng)的數(shù)值地址，然后將該地址單元的內(nèi)容取出即可。計(jì)算查表法適用于數(shù)據(jù)按一定的規(guī)律排列，并且搜索內(nèi)容和表格數(shù)據(jù)地址之間的關(guān)系能用公式表示的有序表格。下面以實(shí)例介紹計(jì)算查表法的程序設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)一巡回檢測報(bào)警裝置，要求能對16個(gè)通道輸入值進(jìn)行比較，當(dāng)某一通道輸入值超過該路的報(bào)警值時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號。通道值和報(bào)警值的存放地址之間的關(guān)系可用下面的公式表示：報(bào)警值存放地址=數(shù)據(jù)表格起始地址+通道值×22.二分查找（折半查找）二分查找是一種效率較高的查找方法。它要求線性表是有序表，即表中結(jié)點(diǎn)按關(guān)鍵字排序，且以數(shù)組作為表的存儲結(jié)構(gòu)。設(shè)查找表中的元素存儲在一維數(shù)組中，將待查的key值與表R中間位置（下標(biāo)為mid）的記錄的關(guān)鍵字進(jìn)行比較，若相等，則查找成功；，則說明待查記錄只可能在后半個(gè)子表，則相反。二分查找特別適用于那種一經(jīng)建立就很少改動(dòng)而又經(jīng)常需要查找的線性表。圖3對分查表法的程序流程圖例1設(shè)8個(gè)關(guān)鍵字的排列順序?yàn)?113252739414345并以符號L、H和M分別表示查找段首、尾和中間關(guān)鍵字序號。設(shè)要查找關(guān)鍵字41，查找過程如下：第一次1113252739414345(L=1)(M=4)(H=8)第二次1113252739414345(L=5)(M=6)(H=8)經(jīng)過兩次比較就找到關(guān)鍵字41。4.2測量數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)一、系統(tǒng)誤差的自動(dòng)校準(zhǔn)二、量程轉(zhuǎn)換和標(biāo)度變換三、線性化處理四、越限報(bào)警處理本節(jié)主要內(nèi)容和常規(guī)的模擬系統(tǒng)相比，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）可用各種程序代替硬件電路，甚至完全不需要硬件。從而大大降低系統(tǒng)成本。（2）能夠自動(dòng)修正各種誤差，提高測量精度。（3）能夠?qū)Ρ粶y參數(shù)進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算和處理。（4）能夠?qū)崿F(xiàn)對傳感器和測量裝置的監(jiān)控，提高系統(tǒng)的可靠性。（5）計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)不但精度高，而且穩(wěn)定可靠。數(shù)據(jù)處理從一般意義上說應(yīng)包括三方面內(nèi)容：一是對傳感器輸出的信號進(jìn)行放大、濾波、I/V轉(zhuǎn)換等處理，通常稱為信號調(diào)理；二是對采集到計(jì)算機(jī)中的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)行一些處理，如進(jìn)行系統(tǒng)誤差校正、數(shù)字濾波，邏輯判斷、標(biāo)度變換等處理，通常稱之為一次處理；三是對經(jīng)過前兩步得到的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，尋找規(guī)律，判斷事物性質(zhì)，生成所需要的控制信號，此稱為二次處理。信號調(diào)理都是由硬件完成，而一次和二次處理一般由軟件實(shí)現(xiàn)。通常所說的數(shù)據(jù)處理多指上述的一次處理。一次處理的主要任務(wù)是提高檢測數(shù)據(jù)的可靠性，并使數(shù)據(jù)格式化、標(biāo)準(zhǔn)化，以便運(yùn)算、顯示、打印或記錄。

數(shù)據(jù)處理的含義1.直流零位的校正方法:先測量短路時(shí)的零位電壓x0，并將測得的數(shù)據(jù)存儲起來。正常測量時(shí)，從每次測量結(jié)果x中減去零位電壓x0，即可得到零位校正后的測量結(jié)果。2.零點(diǎn)漂移的自動(dòng)校正

方法：輸入部分采用了一個(gè)多路開關(guān)，在開機(jī)時(shí)，或每隔一定的時(shí)間，系統(tǒng)進(jìn)行一次自動(dòng)校正。一、系統(tǒng)誤差的自動(dòng)校準(zhǔn)計(jì)算公式：

圖4零點(diǎn)漂移自動(dòng)校正電路

在微型計(jì)算機(jī)過程控制系統(tǒng)中，生產(chǎn)中的各個(gè)參數(shù)都有著不同的數(shù)值和量綱，如測溫元件用熱電偶或熱電阻，溫度單位為℃，且熱電偶輸出的熱電勢信號也各不相同，如鉑銠—鉑熱電偶在16000C時(shí)，其電勢為16．677mV，而鎳鉻—鎳鉻熱電偶在12000C時(shí)，其熱電勢為48．87mV。所有這些參數(shù)都經(jīng)過變送器轉(zhuǎn)換成A/D轉(zhuǎn)換器所能接收的0～5V電壓信號，又由A/D轉(zhuǎn)換成00～FFH（8位）的數(shù)字量。為進(jìn)一步進(jìn)行顯示、記錄、打印以及報(bào)警等操作，必須把這些數(shù)字量轉(zhuǎn)換成不同的單位（工程量），以便操作人員對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視和管理，這就是所謂的標(biāo)度變換。另一方面，如果傳感器和顯示器的分辨率一定，而儀表的測量范圍很寬時(shí)，為了提高測量精確度，智能化測量儀表應(yīng)能量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換。二、量程轉(zhuǎn)換和標(biāo)度變換1.量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換

由于傳感器所提供的信號變化范圍很寬（從微伏到伏），特別是多回路檢測系統(tǒng)中，當(dāng)各回路的參數(shù)信號不一樣時(shí)，必須提供各種量程的放大器，才能保證送到計(jì)算機(jī)的信號一致（0～5V）。在模擬系統(tǒng)中，為了放大不同的信號，往往使用不同放大倍數(shù)的放大器。而在電動(dòng)單位組合儀表中，常常使用各種類型的變送器，如溫度變送器、差壓變送器、位移變送器等。

但是，這種變送器造價(jià)比較貴，系統(tǒng)也比較復(fù)雜。隨著微型機(jī)的應(yīng)用，為了減少硬件設(shè)備，現(xiàn)在已經(jīng)研制出一種可編程增益放大器(ProgrammableGainAmplifier)，簡稱PGA。

PGA是一種通用性很強(qiáng)的放大器，其放大倍數(shù)可根據(jù)需要用程序進(jìn)行控制。采用這種放大器，可通過程序調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，使A/D轉(zhuǎn)換器滿量程信號達(dá)到均一化，因而大大提高測量精度。這就是所謂的量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換。可編程增益放大器有兩種：—種是由其他放大器外加一些控制電路組成，稱為組合型PGA；另—種是專門設(shè)計(jì)的PGA電路，即集成PGA。2.線性參數(shù)標(biāo)度變換線性標(biāo)度變換的前提條件是被測參數(shù)值與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果之間呈線性關(guān)系。線性標(biāo)度變換公式如下式中A0、Am——一次測量儀表的下限值、上限值；Ax——實(shí)際測量值（工程量）；N0、Nm——儀表下限、上限所對應(yīng)的數(shù)字量；Nx——測量值所對應(yīng)的數(shù)字量。3.非線性參數(shù)標(biāo)度變換過程參數(shù)信號與該信號所代表的物理量不成線性關(guān)系，則標(biāo)度變換應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析。差壓變送器測量流量為例，由于差壓與流量的平方成正比，故有式中Q——流量；

K——比例系數(shù)；

ΔP——節(jié)流裝置的壓差。得測量流量的標(biāo)度變換公式為

式中Q0、Qm——流量儀表的下限值、上限值；

Qx——差壓變送器所測得的差壓值；

N0、Nm——差壓變送器上限值、下限值所對應(yīng)的數(shù)字量；

Nx——差壓變送器所測得的差壓值對于的數(shù)字量。

查表法是一種較精確的非線性處理方法。設(shè)有非線性關(guān)系的兩個(gè)參數(shù)A和B，現(xiàn)要根據(jù)參數(shù)A取參數(shù)B的數(shù)值。

1.查表法

通常有查表法、擬合函數(shù)法、折線近似與插值法。造表

根據(jù)需要確定參數(shù)A的起始值A(chǔ)0和等差變化值N，有確定一塊連續(xù)存儲區(qū)，設(shè)其地址為AD0、AD1、…、ADn，采用按順序遞增或遞減的關(guān)系，即ADi＋1＝ADi×M，M是參數(shù)B在計(jì)算機(jī)中存儲值的字節(jié)數(shù)。

三、線性化處理查表

設(shè)有待查參數(shù)Am，由i＝（Am－A0）/N，有從存儲地址Ti處連續(xù)取M個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，即為對應(yīng)參數(shù)Am的Bm值。 查表法的優(yōu)點(diǎn)是迅速準(zhǔn)確，但如果參數(shù)變化范圍較大或變化劇烈時(shí)，要求參數(shù)Ai的數(shù)量將會很大，表會變得很大，表的生成和維護(hù)將變得困難2.擬合函數(shù)法

各種熱電偶的溫度與熱電勢的關(guān)系都可以用高次多項(xiàng)式描述。式中T——溫度；

E——熱電偶的測量熱電勢；

a0、a1、…、an——系數(shù)。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，方程所取項(xiàng)數(shù)和系數(shù)取決于熱電偶的類型和測量范圍。以n＝4為例，對高次多項(xiàng)式可做如下處理：3.折線近似與線性插值法

熱電偶T—E關(guān)系曲線以溫度——熱電勢函數(shù)曲線為例。右圖是某熱電偶溫度（T）與熱電勢（E）的關(guān)系曲線。折線近似法的原理是，將該曲線按一定要求分成若干段，然后把相鄰分段點(diǎn)用折線連接起來，用直線方程來表示。四、越限報(bào)警處理越限報(bào)警是工業(yè)控制過程常見而又實(shí)用的一種報(bào)警形式，如果超越了規(guī)定的數(shù)值，就需要通知操作人員，以采取相應(yīng)的措施，以確保生產(chǎn)的安全。它分為上限報(bào)警、下限報(bào)警及上下限報(bào)警。如果需要判斷的報(bào)警參數(shù)是xn，該參數(shù)的上下限約束值分別