数字PID调节器算法的研究.docx
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数字PID调节器算法的研究
东南大学自动化学院
实验报告
课程名称：
计算机控制技术
第一次实验
实验名称：
A/D与D/A转换数字PID调节器算法的研究
院（系）：
自动化专业：
自动化
姓名：
学号：
实验室：
实验组别：
同组人员：
实验时间：
2012年3月12日
评定成绩：
审阅教师：
实验一A/D与D/A转换
一、实验目的
1、通过编程熟悉VC++的Win32ConsoleApplication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．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．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1-1PCI-1711卡管脚图
2.ADDA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：
-10～10V对应为0～4095（A/D转换精度为12位）。
输入
A/D数据编码
正满度
111111111111
正满度－1LSB
111111111110
中间值（零点）
011111111111
负满度+1LSB
000000000001
负满度
000000000000
D/A通道输出范围为0～10V。
详细编程说明见“PCI-1711数据采集卡驱动函数说明.doc”文档。
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0~10V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、A/D转换：
AD1通道与阶跃信号输出端相连，当旋转电位器，输入信号幅值发生改变，数据采集器在屏幕上输出经过采样、保持、量化等的数字值，与THBDC-1型实验平台上的直流数字电压表所显示的模拟值相等。
设置几个特殊值，考察其输出结果是否符合要求：
直流数字电压表（V）
程序运行后，DOS界面显示结果
AD1通道的输入值
AD1通道的二进制值（十进制存放）
AD1通道数据转化为二进制
-10.00
-9.995
0
000000000000
-3.00
-3.005
1431
010*********
0.00
0.000
2047
011111111111
5.00
5.000
3071
101111111111
10.00
10.000
4095
111111111111
14.95
10.000
4095
111111111111
由于A/D通道输出范围为10～-10V，所以即使输入超过+/-10V，输出也会被限制在+/-10V。
2、D/A转换：
通过修改在主程序中改变DAoutput（0,x）中的参数，即可设置输出电压值。
可以通过数字电压表对输出电压进行测量，以验证程序功能。
程序设定值
数字电压表测的DA口输出电压值
0
0.00
2.5
2.60
5.0
5.20
10.0
10.30
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Win32ConsoleApplication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。
4．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、实验报告要求
1．绘出二阶被控对象单位反馈（无PID调节）时的阶跃响应曲线。
由电路图知，系统的开环传递函数为：
利用simulink仿真：
得到二阶被控对象单位反馈（无PID调节）时的阶跃响应曲线：
由图可以看出，输出结果为经过两级放大电路得到的电压值（电压值放大2倍），并没有跟随给定输入而变化。
2．编写PID数字控制器的C++程序（增量式算法）。
doublePID（doubleei,double*pid,doubleTs）
{
staticdoubleex=0,ey=0;
staticdoubleq0=0;
staticdoubleq1=0;
staticdoubleq2=0;
staticdoubleop=0;
q0=pid[0]*（ei-ex）;
if（pid[1]==0）
q1=0;
elseq1=pid[0]*Ts*ei/pid[1];
q2=pid[0]*pid[2]*（ei-2*ex+ey）/Ts;
ey=ex;
ex=ei;
op=op+q0+q1+q2;
returnop;
}
计算机控制PID算式中，位置式与后续执行机构的实际位置相对应，每次的输出与过去的所有状态有关；增量式算式与后续执行机构的实际位置增量有关，根据前后三次测量偏差求出控制增量。
3．绘出二阶被控对象在采用数字控制器后参数较好的响应曲线。
使用衰减曲线法的PID参数调节方法：
首先采用比例控制，使
从0逐渐增加，直到系统出现4:
1的衰减振荡（衰减比为输出响应中第一、二次超调之比），记下此时的增益值
，并测出此时的振荡周期
，则采用PID控制的参数为
。
得到被控对象在采用数字控制器后参数较好的响应曲线：
参数为：
PID控制器中的比例环节
，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
过大会使系统超调量过大，稳定性减弱。
积分环节
可以使系统输出无静差，但是会使系统稳定性下降，响应速度减慢。
微分环节可以加快系统的响应速度。
4.分析采样周期Ts的减小或增大对系统阶跃响应的影响。
当
=1时，由于采样周期较小，满足香农采样定理，故系统的阶跃响应与模拟系统的输出响应十分吻合，曲线基本上呈连续变化趋势。
当
=100时，由于采样周期过大，不满足香农采样定理，系统的阶跃响应出现严重失真现象。
采样周期的大小会影响系统响应，采样周期变大，使系统响应特性变差，同时响应时间变长，系统的抗干扰能力下降，有时甚至会使一个稳定系统变成为不稳定系统。
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