过程控制机软件设计

《过程控制机系统设计》——软件设计报告一、 设计要求在个人计算机PC 上设计一简单实时多任务控制系统软件并调试通过。

要求至少包括三个相对独立的任务，并且要求三个任务分配在不同的优先级中进行调度。

1、键盘和显示器管理图形显示实时时钟，PV ，SV ，MV 和P ，I ，D ，MH ，ML ，p K ，p T 等参数，并可通过键盘在线修改，键盘管理应能容错(手/自动切换和输出选做)，修改参数时画面应继续显示刷新。

2、控制计算：构成标准变增益构成标准变增益PID 数字调节器。

包括变增益(增益系数0.25)，不完全微分，输出限幅，控制周期>4秒。

3、过程数据采集(模拟计算)模拟对象为LS e STp KpS G s MV s PV -+==**1)()()(其中L 0.2*p T ，p T = 40~300秒，离散计算周期 Ts ≤ 1秒。

4、上述三个任务构成一个闭环实时控制与管理系统，要求至少分配在不同优先级中进行调度。

二、 控制算法原理2.1 模拟对象的确定模拟对象为：LS e STp KpS G s MV s PV -+==**1)()()(它可分解为下面两个式子：()()S TP KP S MV S X *+=1 和()()Lse S X S PV -= 其中第一式离散化之后可化简为：()()()1-+++*=n X TPTS TPn MV TP TS KP TS n X第二式离散化之后可化简为：()()TS L n X n PV /-= 两式结合之后得到被控对象的数字化的表达式为：()()()1//--++-+*=TS L n PV TPTS TPTS L n MV TP TS KP TS n PV2.2 PID 数字调节器本软件采用不完全微分PID 数字调节器，采用的增量型数字PID 算式为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡--++--+-=)1()()()1()()1()(n u n u n e Ti Tc n e n e KP n MV n MV其中⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+--+=)1())1()((1)(1n u m Td n e n e Td Td Tc n u m m=10~20，是不完全微分中的微分增益。

2.3 变增益控制采用的变增益控制算式是：⎪⎩⎪⎨⎧≤≤--<-+>--=de d ke d e dk e d e dk e e )1()1('其中 k = 0.25，d=0.5 2.4 输出限幅软件中采用的输出限幅算式是：⎪⎩⎪⎨⎧<<∆+-≤≥=MHn MV ML n MV n MV MLn MV MLMHn MV MH n MV )()()1()()()( MH ，ML 都可以在运行中实时设定。

2.5 PID 算法完整的流程图如图2-1所示的是PID 算法完整的流程图：图2-1 PID算法完整流程图三、软件设计结合题目的要求，本文采用具备基础图形化编程的Visual C++实现简单实时多任务控制系统软件，采用基于MFC的对话框程序编写。

下面主要从软件的任务设置、任务调度和其他基本功能对软件设计进行详细说明。

3.1 任务分配结合实际需求，分析得到实时控制软件可以划为三个任务：1) 键盘显示管理任务：曲线绘制显示，界面控制等2) PID计算输出任务：PID计算，输出限幅等3) 模拟计算输出任务：对象计算、离散化采样等这三个任务的核心其实是模拟计算对象输出任务，因为这个关系到系统的输出，所以必须作为其中优先级最高的任务。

而键盘和现实管理任务显然优先级可以低一些，这里设置为最低优先级，那么调节器的PID算法计算任务可以作为次高优先级。

通过多线程的方式，不同线程运行不同的任务，而不同任务之间又是有联系的，这里可以通过线程之间的通信实现任务的关系性。

3.2多线程创建题目中要实现三个相对独立的任务，在进行参数设置、计算输出的同时需要保持曲线绘制区域一直刷新显示，也就是说程序同时处理多个任务。

为了使程序具有较好的实时性，程序中使用了多线程编程。

系统通过采用创建独立的线程实现多任务管理，并通过事件机制在线程之间进行通信，参数设置时采用临界区的方式保护参数，避免系统发生错误输出。

在MFC中启动线程可以调用AfxBeginThread函数，也可以先创建线程对象，然后调用其成员函数CreateThread。

后者是对前者的分阶段执行，与前者不同的是：后者在线程终止后，线程对象依然存在，可以再次调用CreateThread来启动线程。

其中调用AfxBeginThread函数来启动一个新的用户界面线程的格式如下：CWinThread * AfxBeginThread(CRuntimeClass * pThreadClass，int nPriority = THREAD_PRIORITY_NORMAL，UINT nStackSize = 0，DWORD dwCreateFlags = 0，LPSECURITY_ATYRIBUTES lpSecurityAttrs = NULL );参数含义如下：pThreadClass参数为从CWinThread类派生对象的RUNTIME_CLASS宏调用；nPriority参数指定线程的优先级，默认为正常优先级；nStackSize参数规定新线程堆栈段的大小(以字节为单位)；dwCreateFlags参数用于指定当前线程的创建状态，可以让线程在创建后立即启动，也可以使其创建后挂起；lpSecurityAttrs参数用于指定线程的安全属性。

本文所设计的软件在开启软件本身时不会自动创建，而是点击“运行”按钮时才会创建所有的线程。

代码如下：// TODO: Add your control notification handler code here m_Control.ResetEvent();m_DataAcq.ResetEvent();m_Display.ResetEvent();//创建线程AfxBeginThread(ControlTdProc,(LPVOID)this,THREAD_PRIORITY_ABOVE_N ORMAL);AfxBeginThread(DataAcqTdProc,(LPVOID)this,THREAD_PRIORITY_HIGHEST );AfxBeginThread(DisplayTdProc,(LPVOID)this,THREAD_PRIORITY_NORMAL) ;//系统时钟SetTimer(CLOCK_TIMER,1000,NULL);//启动控制计算定时器SetTimer(CONTROL_TIMER,100,NULL);//启动系统模拟计算,Ts<=1sSetTimer(DATAACQ_TIMER,100,NULL);SetTimer(DISPLAY_TIMER,100,NULL);3.3线程间的通信多个线程进行数据共享时，常常会遇到在进程之间同步访问资源的情况。

多个线程同时访问同一个数据将可能导致无法预测的后果。

此外，某些时候线程之间是事件触发关联的，这种情况需要采用线程同步技术。

如果线程同步问题不解决会出现资源竞争而引起几个线程甚至整个系统的死锁，直接涉及到整个系统的稳定和安全。

线程间通信可以通过共享全局变量，共享内存、信号量、互斥量等方式来实现，也可以通过使用消息来实现。

但主线程不能通过发送消息给辅助线程来实现通信，辅助线程则可以通过发送自定义消息达到和主线程通信的目的。

在MFC 中线程的同步常采用如下方式：本软件中使用了事件对象与临界区，事件对象用于定时器触发线程执行，而临界区用于不同线程间的通信与同步。

static CEvent m_Control; //控制量计算事件static CEvent m_DataAcq; //模拟对象计算事件static CEvent m_Display; //显示事件static CCriticalSection g_Cs; //临界区定义g_Cs.Lock(); //用于获得对CCriticalSection对象的访问……g_Cs.Unlock(); //用于释放CCriticalSection对象，供其它线程使用3.4 键盘、显示管理任务本系统采用MFC中的消息机制对键盘的输入进行管理，并加入输入容错机制，保证系统的可靠性。

在程序中创建一个独立的线程DisplayTdProc对显示的动态刷新进行管理，详细设计如下：UINT CMTSProcessDlg::DisplayTdProc(LPVOID param){CMTSProcessDlg *pMyDlg=(CMTSProcessDlg*)param;CDC* pDC = pMyDlg->GetDC();while(1){::WaitForSingleObject(m_Display.m_hObject,INFINITE);//等待刷新定时器触发信号pMyDlg->OnDraw(pDC); //调用绘图函数绘制图形}return 0;}3.5 PID控制量计算任务PID控制量计算就是依据系统输出和给定，通过控制算法计算得到控制量输出，这里已经把PID封装成为函数来调用。

详细如下：UINT CMTSProcessDlg::ControlTdProc(LPVOID param){while(1){::WaitForSingleObject(m_Control.m_hObject,INFINITE);//等待控制计算定时器触发信号……//控制量计算的具体实现代码}}return 0;}3.6 模拟对象计算模拟对象计算任务就是通过获取PID控制量计算输出作为系统输入，依据对象模型进行模拟计算得到控制输出。

其任务线程详细设计如下：UINT CMTSProcessDlg::DataAcqTdProc(LPVOID param){while(1){::WaitForSingleObject(m_DataAcq.m_hObject,INFINITE);g_Cs.Lock();pv[0] = pv[1];pv[1] = prodatacount(mv[0]); //模拟计算PV = pv[1];i = i+1;tm++;m[tm] = MV; //数据记录p[tm] = PV;s[tm] = SV;g_Cs.Unlock();}return 0;}3.7 容错处理和实时时钟针对一定的系统，参数的设置是有一定限制的，这里只给出限制的方法，具体界限可根据实际情况改动。

//手动设置控制量的容错处理if(flag==0){tmpsetting = (float)atof(m_strManuaInput);if(tmpsetting>3)AfxMessageBox("手动设定范围：0-3.0"); //容错处理elsemanualsetting=tmpsetting;}//调节限幅及给定的容错处理tmpmh=(float)atof(m_strMH);tmpml=(float)atof(m_strML);tmpsv=(float)atof(m_strSV);if(tmpmh>3.5||tmpmh<0){inerror=1;AfxMessageBox("MH：0-3.5");}if(tmpml>3.5||tmpml<0){inerror=1;AfxMessageBox("ML：0-3.0");}if(tmpmh<tmpml){inerror=1;AfxMessageBox("MH>ML");}if(tmpsv>3||tmpsv<0){inerror=1;AfxMessageBox("SV：0-3.0");}……//错误处理代码实时时钟采用的是调用Windows系统时钟刷新的方式，由于Windows提供了定时器，帮助我们编写定期发送消息的程序，这样就可以很方便的写出时钟显示和定时程序。