数字PID调节器算法的研究.docx

1、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1TH

2、BDC-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. 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：-1010V对

3、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+1LSB0000 0000 0001负满度0000 0000 0000 D/A通道输出范围为010V。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

4、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、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、

5、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-10.00-9.9950000000000000-3.00-3.0051431010*0.000.00020470111111111115.005.000307110111111111110.0010.000409511111111111114.9510.0004095111111111111由于A/D通道输出范围为10-10V，所以即使输入

6、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00.002.52.605.05.2010.010.30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

7、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，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

8、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-1

9、711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”

10、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si

11、mulink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）。double 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); if(pid1=0) q1=0; else

12、q1=pid0*Ts*ei/pid1; q2=pid0*pid2*(ei-2*ex+ey)/Ts; ey=ex; ex=ei; op=op+q0+q1+q2; return op; 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P

13、ID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。