AD与DA转换与数字PID调节器算法的研究实验报告.docx
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AD与DA转换与数字PID调节器算法的研究实验报告
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.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：
-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，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.系统main函数如下：
voidmain（）//主程序
{
init_1711（）;
for（;;）
{
ADinput（0）;//读取AD1通道的电压值
printf（"AD1通道输入值:
%.3f\n",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）:
%d\n",bin）;
//-10V~10V对应为（0~4095）
//AD数据转换为二进制
char*temp=newchar[NUM+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\n",temp）;
deletetemp;
DAoutput（0,3.2）;//从DA1通道输出3.2V的电压值
printf（"DA1通道输出值:
%.3f\n",ptAOVoltageOut.OutputValue）;
DABinaryout（1,4095）;
printf（"DA1通道输出值:
%d\n",ptAOBinaryOut.BinData）;
printf（"\n"）;
Sleep（1000）;
}
expexit（）;
}
2.程序的主要函数：
voidConvert（USHORTdata,char*temp,longDim）;//十进制数转换为二进制数
voidErrorHandler（DWORDdwErrCde）;//通过错误代码来获取相应的错误信息函数
voidErrorStop（long*,DWORD）;//出错处理函数
boolinit_1711（）;//初始化设备
voidexpexit（）;//关闭设备
floatADinput（unsignedcharchan）;//模拟量输入函数
boolDAoutput（unsignedcharchan,floatDAdata）;//模拟量输出函数
USHORTADbinaryIn（unsignedcharchan）;//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：
①A/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
0.00
0.000
2047
011111111111
5.00
4.982
3068
101111111100
10.00
9.985
4092
111111111100
-5.00
-4.932
1037
010*********
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：
-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。
②D/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）
2.5
2.50
3.0
3.00
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），在误差允许的围认为输出值正确。
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：
-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（inti=0;i{
temp[Dim-1-i]=data%2+48;//（程序中加48是将二进制数转换为ASCII码）
data/=2;
}
temp[Dim]='\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：
pid[0]=P;pid[1]=I;pid[2]=D
doublePID（doubleei,double*pid,doubleTs）
{staticdoubleex=0,ey=0;
staticdoubleq0=0;
staticdoubleq1=0;
staticdoubleq2=0;
staticdoubleop=0;
q0=pid[0]*（ei-ex）;//比例项
if（pid[1]==0）
q1=0;
else
q1=pid[0]*Ts*ei/pid[1];//当前积分项
q2=pid[0]*pid[2]*（ei-2*ex+ey）/Ts;//微分项
ey=ex;
ex=ei;
op=op+q0+q1+q2;
returnop;
}
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
K
5
7
7.5
8
衰减振荡比
8.50
4.25
4.00
2.62
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2PI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
①当Ts=50ms时，阶跃响应曲线如图4所示：
②当Ts=80ms时，阶跃响应曲线如图5所示：
③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激励被控对象，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超调之比），记下此时增益值Kr，Kp=1.25Kr=，Ti=0.3Pr，Td=0.1Pr。
3、由对比实验可以看出，在计算机速度允许的情况下，采样周期Ts较小时，调节品质好，系统响应越接近于连续系统的阶跃响应输出；采样周期Ts过长时，系统控制精度不好，甚至采样信号无法恢复为原模拟信号，抗干扰能力下降，系统出现振荡。
4、增量式控制算法与位置式控制算法相比具有以下优点：
①由于控制增量一般很小，故可对其进行限幅，限制或禁止故障时的输出，从而缩小机器故障时影响围。
②由于增量式控制时阀位与步进电机转角对应，故手动-自动切换时冲击小。
③控制增量的确定仅与最近几次的采样值有关，容易通过加权处理以获得较好的控制效果。
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