AD与DA转换及数字PID调节器算法的研究实验报告.doc

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1THBDC-1型控制理论计算机控制技术实验平台2PCI-1711数据采集卡一块3PC机1台(安装软件“VC+”及“THJK_Server”) 三、实验原理1数据采集卡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：-1010V对应为04095(A/D转换精度为12位)。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+1LSB 0000 0000 0001负满度0000 0000 0000D/A通道输出范围为010V。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，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main函数如下：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:%sn,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);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( DWORD 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/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：直流电压表（v）程序运行后DOS界面显示结果AD1通道输入值AD1通道数据转化为十进制AD1通道数据转化为二进制码0.000.00020470111111111115.004.982306810111111110010.009.9854092111111111100-5.00-4.9321037010000001101程序将外界输入电压通过A/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：-1010V对应为04095，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：-1010V对应为04095(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+)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;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1THBDC-1型 控制理论计算机控制技术实验平台2PCI-1711数据采集卡一块3PC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，PID二阶对象+-计算机DA1AD1R（t）Y（t）图2-1计算机控制系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关来实现。2常规PID控制算法常规PID控制位置式算法为，当计算机等外部环境发生变化时，U（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：式中Kp-比例系数Ki=积分系数，T采样周期Kd微分系数本实验就是采用的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。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按下“e”和“enter”键否？A/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定时器时间到？等待关闭设备，结束NNYY4程序流程图：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： 图2-2 二阶被控对象与计算机连接图图中R1=510K，R2=510K，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）。/PID 算法函数：pid0=P;pid1=I;pid2=Ddouble PID(double ei, double *pid,double Ts) static double ex=0,ey=0;static double q0=0;static double q1=0;static double q2=0;static double op=0;q0=pid0*(ei-ex); /比例项if (pid1=0) q1=0;elseq1=pid0*Ts*ei/pid1 ; /当前积分项q2=pid0*pid2*(ei-2*ex+ey)/Ts; /微分项ey=ex; ex=ei; op=op+q0+q1+q2; return op;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，得到的阶跃响应曲线：图1 无PID调节时阶跃响应曲线此时设定P=1，I=0，D=0，传递函数为：，可以看到无PID时，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：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=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，得PID控制的阶跃响应曲线： 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：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。6、 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可以使系统输出无静差，但是系统稳