AD与DA转换与数字PID调节器算法的研究实验报告

1、.东南大学自动化学院实验报告课程名称 ：计算机控制技术第1次实验.专业资料 .实验名称 ：A/D 与 D/A 转换 & 数字 PID调节器算法的研究院 （系）：自动化学院专业：自动化姓名：学号：实验室：416实验组别 ：同组人员 ：实验时间 ：2014 年 3月 20日评定成绩 ：审阅教师 ：第一部分实验一 A/D 与 D/A 转换一、实验目的1、通过编程熟悉VC+ 的 Win32 Console Application的编程环境 ；2、通过编程熟悉PCI-1711 数据采集卡的数据输入输出；3、了解采集卡AD 转换芯片的转换性能；4、通过实验了解字节数与二进制数的转换。二、实验设备1 THB

2、DC-1 型控制理论 计算机控制技术实验平台2 PCI-1711 数据采集卡一块3 PC 机 1 台 (安装软件 “VC+ ”及 “THJK_Server ”)三、实验原理1 数据采集卡.专业资料 .PCI-1711 是输入功能强大的低成本多功能PCI 总线卡 。特点 ： 16 路单端模拟量输入12 位 A/D 转换器 ，采样速率可达100KHz每个输入通道的增益可编程自动通道 / 增益扫描卡上 1K 采样 FIFO 缓冲器2 路 12 位模拟量输出（仅 PCI-1711 ）16 路数字量输入及16 路数字量输出可编程触发器/ 定时器图1-1 PCI-1711 卡管脚图2. AD/DA 转换原

3、理该卡在进行A/D 转换实验时 ，输入电压与二进制的对应关系为： -10 10V 对应为 04095(A/D转换精度为12 位 )。.专业资料 .输入A/D 数据编码正满度1111 1111 1111正满度 1LSB1111 1111 1110中间值（零点）0111 1111 1111负满度 +1LSB0000 0000 0001负满度0000 0000 0000D/A 通道输出范围为0 10V 。四、实验步骤1、仔细阅读 “PCI-1711 数据采集卡驱动函数说明.doc ”文档 。2、将实验台上的“阶跃信号发生器”的输出端通过导线与PCI-1711 数据采集接口的AD1 通道输入端相连 ，

4、同时将 PCI-1711 数据采集接口的AD1 通道通过导线与实验平台上的交直流数字电压表 （选取直流档 ）的输入端相连 ；3、打开 ADDA 实验 VC+ 程序文件夹 ，打开 .dsw 工程文件 ，添加缺少的main 函数（主程序）， 编程实现以下功能：在运行程序后的DOS 界面上应显示AD 第一通道输入值，同时并显示出转换后对应的以十进制存放的二进制码，并将其转换为二进制码；在程序中使用输出函数通过DA1 通道输出一个010V 的电压 （ PCI-1711 卡无法输出负电压 ），然后使用THBDC-1 型实验平台上的直流数字电压表进行测量，并确认输出值是否正确 。五、实验记录1.系统 ma

5、in 函数如下 ：.专业资料 .void main()/ 主程序init_1711();for(;)ADinput(0);/ 读取 AD1 通道的电压值printf(AD1通道输入值:%.3fn,fVoltage);ADbinaryIn(0);/ 读取 AD1 通道的二进制电压值printf(AD1通道的二进制值为（以十进制数存放） :%dn,bin);/-10V10V对应为 (04095)/AD 数据转换为二进制char *temp = new charNUM+1;Convert(bin,temp,NUM);/ 十进制数转换为二进制数的转换函数printf(AD1通道数据转换为二进制为:%s

6、n,temp);delete temp;DAoutput(0,3.2);/ 从 DA1 通道输出 3.2V 的电压值printf(DA1通道输出值:%.3fn,ptAOVoltageOut.OutputValue);DABinaryout(1,4095);printf(DA1通道输出值:%dn,ptAOBinaryOut.BinData);printf( n);Sleep(1000);.专业资料 .expexit();2.程序的主要函数：void Convert(USHORT data,char* temp,long Dim);/ 十进制数转换为二进制数void ErrorHandler( D

7、WORD dwErrCde );/ 通过错误代码来获取相应的错误信息函数void ErrorStop( long*, DWORD );/ 出错处理函数bool init_1711();/ 初始化设备void expexit();/ 关闭设备float ADinput(unsigned char chan);/ 模拟量输入函数bool DAoutput(unsigned char chan,float DAdata);/ 模拟量输出函数USHORT ADbinaryIn(unsigned char chan);/ 模拟量输入函数(二进制形式 )3.由于是验证性实验，以下为我们记录的两组数据：A/

8、D 转换通过改变滑动变阻器的阻值，改变 AD1 输入端输入电压的大小，用电压表测出实际输入的电压值 ，并记录通过A/D转换计算机采集的十进制与二进制值，程序运行结果见下表中，在变化过程中实际输入与计算机采集的数据的对应关系如表：程序运行后DOS 界面显示结果直流电压表 （ v）AD1 通道数据转化为AD1 通道数据转化为AD1 通道输入值十进制二进制码0.000.00020470111111111115.004.9823068101111111100.专业资料 .10.009.9854092111111111100-5.00-4.9321037010000001101程序将外界输入电压通过A/

9、D 转换得到与原输入值大致相等的电压，输入电压与二进制的对应关系为： -10 10V 对应为0 4095 ，采用 “除二取余 ”法计算相应的二进制码，验证发现结果是比较准确的，误差较小 。D/A 转换在程序中多次改变输出电压的大小(通过改变主程序中DAoutput（ 0， x）中的函数 )，利用电压表测量实际DA1 输出的电压值，运行程序后 ，得到的具体的D/A 转换的对应关系如表 ：程序设定值 （ V）电压表输出电压值（ V）2.52.503.03.00由表中数据可以看出，DA1通道的输出电压值与程序中设定的值十分接近（相等 ），在误差允许的范围内认为输出值正确。六、实验总结1.此次实验比较

10、简单，通过简单地连线验证实验结果的正确性，由实验结果可以看出程序可以将外界输入电压通过A/D 以及 D/A 转换 ，得到与原输入值大致相等的电压。2.输入电压与二进制的对应关系为： -10 10V 对应为0 4095( 程序设定A/D转换精度为12 位 )，相当于每1V 对应十进制为204.8 ；通过 “除二取余 ”法， 假定 data 为待转换数据，temp 为转化后数据 ， Dim 为转换精度 ，通过循环 ：for(int i=0;iDim;i+).专业资料 .tempDim-1-i=data%2+48;/（程序中加48 是将二进制数转换为ASCII 码）data/=2;tempDim=0

11、;将十进制数转化为二进制码。第二部分实验二数字PID调节器算法的研究一、实验目的1、通过编程熟悉VC+的Win32 Console Application的编程环境 ；2、通过编程熟悉PCI-1711数据采集卡的数据输入输出；3、掌握 PID 控制器的编程方法；4、了解闭环控制系统的概念与控制方法；5、熟悉定时器及显示界面的使用方法；二、实验设备1 THBDC-1 型 控制理论 计算机控制技术实验平台2 PCI-1711 数据采集卡一块3 PC 机 1 台 (安装软件 “VC+ ”及 “THJK_Server ”)三、实验原理1 被控对象的模拟与计算机闭环控制系统的构成，图 2-1计算机控制系

12、统原理框图图中信号的离散化+通过PCI-1711 数据采集卡的采样开DA1关来实现。Y（ t）R（t）PID二阶对象2 常规 PID 控制算法-常规 PID 控制位置式算法为AD1.专业资料 .计算机.TkTde(k) e(k 1) ，当计算机等外部环境发生变化时， Uu(k) k p e(k)e(i )Tii 1T（k）会产生大幅度的变化，这对很多执行对象来说，这种冲击是不能接受的。所以 ，工程上常用增量式控制算法 。其增量形式为 ：u(k) u(k 1) Kpe(k)e(k1) Kie(k) Kde(k) 2e(k1) e(k 2)式中 Kp- 比例系数Ki= K pT 积分系数 ，T 采

13、样周期TiKd Td 微分系数K p T本实验就是采用的 PID 增量式算法 。根据被控对象和环境等不同，还可以采用积分分离PID 算法 ，智能 PID 算法 ，微分先行等多种形式的 PID 控制算法 。图中信号的离散化是由数据采集卡的采样开关来实现。3 数字 PID 控制器的参数整定在模拟控制系统中 ，参数整定的方法较多 ，常用的实验整定法有：临界比例度法 、阶跃响应曲线法 、试凑法等 。 我们控制器参数的整定也可采用类似的方法，如扩充的临界比例度法 、扩充的阶跃响应曲线法、试凑法等 。针对本实验的二阶线性系统对象，建议用衰减曲线法：自动控制原理 田玉平二版316 页。.专业资料 .4 程序

14、流程图 ：开始初始化数据采集卡，与显示软件进行通信，从键盘输入有关输入参数Y按下“e”和“ enter”键否？NA/D 采样， PID 控制控制量限幅， D/A 输出控制量在显示软件上画出阶跃响应曲线Y定时器时间到？N关闭设备，结束等待四、实验步骤1、仔细阅读 “PCI-1711数据采集卡驱动函数说明.doc ”和 “THJK-Server软件使用说明.doc ”文档 ，掌握 PCI-1711 数据采集卡的数据输入输出方法和THJK-Server 软件 （及相关函数 ）的使用方法 。2、模拟电路接线图如下所示：.专业资料 .图 2-2二阶被控对象与计算机连接图图中 R1=510K ，R2=51

15、0K ， R3=100K ，R4=200K ， C1=1uF ， C2=10uF 。DA1, AD1, AD2,是 PCI-1711 实验面板的接口3、用导线将二阶模拟系统的输入端连接到 PCI-1711 数据采集卡的 “DA1 ”输出端 ，系统的输出端与数据采集卡的 “AD1 ”输入端相连 ；4、用导线将 +5V直流电源输出端连接到PCI-1711数据采集卡的 “AD2 ”输入端 ，作为阶跃触发使用 ，阶跃幅度由软件设定。初始时 ， +5V 电源开关处于 “关 ”状态 ；5、打开数字PID 实验文件夹下 dsw 工程文件 ，源程序中缺少PID 算法程序 。 请同学用增量式算法编写PID 控制

16、程序 。6、源程序编译通过后，先启动 “THJK_Server ”图形显示软件，再执行程序代码，在显示界面出现的曲线并稳定后（初始化后 ）， 把 +5V电源打到 “开 ”状态 ，观测系统的阶跃响应曲线。在实验结束后，在键盘上按下“e”和 “Enter （回车键 ）”键，程序退出 。7、用衰减曲线法反复调试PID 参数 ，选择适当的PID 参数后 ，重复第 5 步骤，直到得到满意的阶跃响应曲线为止并截图。五、实验记录1 编写 PID 数字控制器的C+ 程序 （增量式算法 ）。.专业资料 ./PID算法函数 ：pid0=P;pid1=I;pid2=Ddouble PID(double ei, do

17、uble *pid,double Ts)staticdouble ex=0,ey=0;staticdouble q0=0;staticdouble q1=0;staticdouble q2=0;staticdouble op=0;q0=pid0*(ei-ex);if (pid1=0)q1=0;elseq1=pid0*Ts*ei/pid1 ;q2=pid0*pid2*(ei-2*ex+ey)/Ts;ey=ex;ex=ei;op=op+q0+q1+q2;return op;/ 比例项/ 当前积分项/ 微分项.专业资料 .程序对 PID参数的设置进行编程，采用的是增量式算法2.无 PID 调节时 ，

18、得到的阶跃响应曲线：图 1 无 PID 调节时阶跃响应曲线12PID 时，此时设定 P=1 ，I=0 ， D=0 ，传递函数为 ： G(S )可以看到无0.51s1 2s 1 ，阶跃响应的响应时间较长，且有较大的稳态误差 。3.绘制二阶被控对象在采用数字控制器后的阶跃曲线（1 ）利用 “衰减曲线法 ”，先采用比例控制，使 k 从 0 逐渐增加K577.58衰减振荡比8.504.254.002.62直到系统出现如图所示4：1 的衰减振荡 ：.专业资料 .记录此时的Kr=7.5 ， I=10000 ，并测出此时的振荡周期Pr=1.67（2 ）将其代入公式： Kp=0.85Kr=6.375， Ti=

19、0.5Pr=0.835 ， Td=0 ，得 PI 控制的阶跃响应曲线 ：图 2 PI 调节时阶跃响应曲线由实验曲线可知，阶跃响应有所改善，但对于积分调节，具有积分作用的PI 调节器 ，只要被调量和给定值之间有误差，其输出就会不停的变化。由于某种原因，误差一时无法消除 ，调节器就要不停的校正这个误差，结果很容易造成积分饱和，严重时还会导致处理器溢出 。 因此实际应用中必须采取一定的改进措施避免出现积分饱和现象，如积分分离 、遇限消弱积分 、停止饱和积分、反馈抑制积分饱和等。（3 ）将其代入公式 ： Kp=1.25Kr=9.375， Ti=0.3Pr=0.501， Td=0.1Pr=0.167 ，

20、得 PID 控制的阶跃响应曲线：.专业资料 .图 3 较好的 PID 参数时的阶跃响应曲线从图中可以看出，此时的阶跃响应超调量较小，且响应时间较短， PID 调节比较理想。（4 ）分析采样周期Ts 对系统阶跃响应的影响当 Ts=50ms 时，阶跃响应曲线如图4 所示 ：当 Ts=80ms 时，阶跃响应曲线如图5 所示 ：当 Ts=150ms 时，阶跃响应曲线如图6 所示：.专业资料 .与 T=100ms相比 ，适当减小或增大采样周期，调节时间会增加，虽然不是最理想的PID 参数 ，但是系统有稳定的输出，且系统的阶跃响应与模拟系统的输出响应基本吻合。继续增大采样周期，由于不满足香农定理，系统响应会出现严重失真，系统的输出不能稳定。六、实验总结1、 PID 控制器中的比例环节 Kp ，调整系统的开环增益，提高系统的稳态精度，加快响应速度。但是 Kp 过大会使系统超调量过大 ，稳定性减弱 。 积分环节 Ki 可以使系统输出