AD及DA转换及数字PID调节器算法的研究报告实验报告

1、-. z.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：第一局部实验一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

2、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本钱多功能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转换原理该卡在进展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

3、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。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、翻开ADDA实验VC+程序文件夹，翻开.dsw工程文件，添

4、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展测量，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A

5、D1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(

6、DA1通道输出值:%dn,ptAOBinaryOut.BinData); printf( n);Sleep(1000);e*pe*it(); 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 e*pe*it();/关闭设备float ADinput(unsigned cha

7、r 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

8、进制AD1通道数据转化为二进制码0.000.000204715.004.9823068010.009.98540920-5.00-4.93210371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，验证发现结果是比拟准确的，误差较小。D/A转换在程序中屡次改变输出电压的大小(通过改变主程序中DAoutput0，*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V2.52.503.03.00由表中数据可以看出，

9、DA1通道的输出电压值与程序中设定的值十分接近相等，在误差允许的围认为输出值正确。六、实验总结1.此次实验比拟简单，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

10、码data/=2;tempDim=0;将十进制数转化为二进制码。第二局部实验二数字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DA

11、1AD1RtYt图2-1计算机控制系统原理框图图号的离散化通过 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，Uk会产生大幅度的变化，这对很多执行对象来说，这种冲击是不能承受的。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，还可以采用积分别离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

12、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，如扩大的临界比例度法、扩大的阶跃响应曲线法、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。开场初始化数据采集卡，与显示软件进展通信，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，完毕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-171

13、1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；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；翻开数字PID实验文件夹下

14、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。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。在实验完毕后，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,

15、double Ts) static double e*=0,ey=0;static double q0=0;static double q1=0;static double q2=0;static double op=0;q0=pid0*(ei-e*); /比例项if (pid1=0) q1=0;elseq1=pid0*Ts*ei/pid1 ; /当前积分项q2=pid0*pid2*(ei-2*e*+ey)/Ts; /微分项ey=e*; e*=ei; op=op+q0+q1+q2; return op;程序对PID参数的设置进展编程，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

16、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直到系统出现如下图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

17、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*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良措施防止出现积分饱和现象，如积分别离、遇限消弱积分、停顿饱和积分、反应抑制积分饱和等。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调节比拟理想。分析采样周期Ts对系统阶跃响应的影响当Ts=50

18、ms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根本吻合。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。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，但是系统稳定性下降，响应速度变慢，微分环节可以加快系统的响应速度。在低频段，主要是PI控制规律起作用，提高了系统的型别，消除或减小了稳态误差；在中高频段主要是PD控制规律起作用， 增大截止频率和相角裕度，提高了响应时间。PID控制调节可以增大系统的瞬态和稳态性能。2、在对象模型确知时，由于在工业系统中对象很复杂，一般不能用解析的方法得到较为准确的模型，因此，可以通过系统的动态响应调整PID控制参数。这类方法一般采用阶跃或脉冲等信号鼓励被控对象，根据被控对象的过渡过程响应曲线来获得系统的瞬态性能。用衰减曲线法来确定P、I、D的参数，其步骤是先采用比例控制，即将Kp从0逐渐增加，直到系统出现4:1的衰减衰减比定义为第一次超调和第二次