AD與DA轉(zhuǎn)換及數(shù)字PID調(diào)節(jié)器算法的研究實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院實(shí)驗(yàn)報(bào)告課程名稱(chēng)：計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第1 次實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：A/D 與D/A轉(zhuǎn)換&數(shù)字PID調(diào)節(jié)器算法的研究院（系）：自動(dòng)化學(xué)院專(zhuān) 業(yè)：自動(dòng)化姓 名：學(xué) 號(hào)：實(shí)驗(yàn)室： 416 實(shí)驗(yàn)組別：同組人員： 實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2014年3月20日評(píng)定成績(jī)：審閱教師：第一部分實(shí)驗(yàn)一 A/D與D/A轉(zhuǎn)換、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過(guò)編程熟悉 VC+鈉 Win32 Console Application 的編程環(huán)境;2、通過(guò)編程熟悉 PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)輸入輸出；3、了解采集卡AD轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換性能；4、通過(guò)實(shí)驗(yàn)了解字節(jié)數(shù)與二進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1. THBDC-1型控制理論計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)

2、驗(yàn)平臺(tái)2. PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡一塊3. PC機(jī) 1 臺(tái)（安裝軟件 “ VC+” 及 “ THJK_Server ”）三、實(shí)驗(yàn)原理1 .數(shù)據(jù)采集卡PCI-1711是輸入功能強(qiáng)大的低成本多功能PCI總線卡。特點(diǎn)：16路單端模擬量輸入12位A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率可達(dá) 100KHz每個(gè)輸入通道的增益可編程自動(dòng)通道/增益掃描卡上1K采樣FIFO緩沖器2路12位模擬量輸出（僅 PCI-1711 ）16路數(shù)字量輸入及16路數(shù)字量輸出可編程觸發(fā)器/定時(shí)器A10 AJ5A II 4 AV6 AI昌 AHO AI12 AI14 AIGND *DACl_REF "DAO_OUT AOGNDDIOD

3、U2 DM DV6 66 duo DI12 D IM GND DOO DOZ DO4 DOG 0 OB DO IQ DO 12 DQ 1-4 DGND GNTO_CLKCWTO OUT CNTO_G ATE+ 12VAllAI3AISAI7AI9AI11AH3AI1&AIGN DDA1_REF ' dai.out * AOGND*DllE3D ISDI7 口國(guó) 111 1 0 113DU 5 GNlDDO 1DQ3DO&DOT1喜5匚 1 .1 1 N0 o a o G 口口 口口口PACER_OUT TRO.GATE EXT TRG + &V圖1-1 PCI-

4、1711卡管腳圖2 . AD/DA轉(zhuǎn)換原理-1010V對(duì)應(yīng)為0該卡在進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)時(shí)，輸入電壓與二進(jìn)制的對(duì)應(yīng)關(guān)系為:4095（A/D轉(zhuǎn)換精度為12位）。輸入A/D數(shù)據(jù)編碼正滿度1111 1111 1111正滿度1LSB1111 1111 1110中間值（零點(diǎn)）0111 1111 1111負(fù)滿度+1LSB0000 0000 0001負(fù)滿度0000 0000 0000D/A通道輸出范圍為 010V。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、仔細(xì)閱讀“ PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)函數(shù)說(shuō)明.doc ”文檔。2、將實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的“階躍信號(hào)發(fā)生器”的輸出端通過(guò)導(dǎo)線與PCI-1711數(shù)據(jù)采集接口的 AD1通道輸入端相連，同時(shí)將

5、PCI-1711數(shù)據(jù)采集接口的 AD1通道通過(guò)導(dǎo)線與實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的交直流數(shù)字電壓表（選取直流檔）的輸入端相連；3、打開(kāi)ADDA3敘VC+程序文件夾，打開(kāi).dsw工程文件，添加缺少的main函數(shù)（主程序）， 編程實(shí)現(xiàn)以下功能：在運(yùn)行程序后的 DO沸面上應(yīng)顯示 AD第一通道輸入值，同時(shí)并顯示出轉(zhuǎn)換后對(duì)應(yīng)的以十進(jìn)制存放的二進(jìn)制碼，并將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼；在程序中使用輸出函數(shù)通過(guò)DA1通道輸出一個(gè)070V的電壓（PCI-1711卡無(wú)法輸出負(fù)電壓），然后使用THBDC-1型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的直流數(shù)字電壓表進(jìn)行測(cè)量，并確認(rèn)輸出值是否正 確。五、實(shí)驗(yàn)記錄系統(tǒng)main函數(shù)如下： void main（） /主程序 ini

6、t_1711（）;for（；） ADinput（0）;/讀取AD1ffi道的電壓值printf（"AD1 通道輸入值:%.3fn",fVoltage）; ADbinaryIn（0）;/讀取AD1ffi道的二進(jìn)制電壓值printf（"AD1 通道的二進(jìn)制值為（以十進(jìn)制數(shù)存放）：dn",bin）;/-10V10V 對(duì)應(yīng)為（04095）/AD 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制char *temp = new charNUM+1;Convert(bin,temp,NUM);/十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換函數(shù)printf("AD1通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制為：sn"

7、,temp);delete temp;DAoutput(0,3.2);/從DA1ffi道輸出 3.2V 的電壓值printf("DA1通道輸出值：.3fn",ptAOVoltageOut.OutputValue);DABinaryout(1,4095);printf("DA1通道輸出值：dn",ptAOBinaryOut.BinData);printf(" n");Sleep(1000);expexit();2 .程序的主要函數(shù)：void Convert(USHORT data,char* temp,long Dim);void Er

8、rorHandler( DWORD dwErrCde );void ErrorStop( long*, DWORD );bool init_1711();void expexit();float ADinput(unsigned char chan);bool DAoutput(unsigned char chan,float DAdata);USHORT ADbinaryIn(unsigned char chan);3 .由于是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，以下為我們記錄的兩組數(shù)據(jù):A/D轉(zhuǎn)換/十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)/通過(guò)錯(cuò)誤代碼來(lái)獲取相應(yīng)的錯(cuò)誤信息函數(shù)/出錯(cuò)處理函數(shù)/初始化設(shè)備/關(guān)閉設(shè)備/模擬量輸入函數(shù)/模

9、擬量輸出函數(shù)/模擬量輸入函數(shù)（二進(jìn)制形式）通過(guò)改變滑動(dòng)變阻器的阻值，改變AD1輸入端輸入電壓的大小，用電壓表測(cè)出實(shí)際輸入 的電壓值，并記錄通過(guò) A/D轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)采集的十進(jìn)制與二進(jìn)制值，程序運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)下表中， 在變化過(guò)程中實(shí)際輸入與計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表：直流電壓表（v）程序運(yùn)行后DO沸面顯示結(jié)果AD1通道輸入值A(chǔ)D1通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為AD1通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制二進(jìn)制碼0.000.00020470111111111115.004.982306810111111110010.009.9854092111111111100-5.00-4.9321037010000001101程序?qū)⑼饨巛斎腚妷和?/p>

10、過(guò) A/D轉(zhuǎn)換得到與原輸入值大致相等的電壓，輸入電壓與二進(jìn)制的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：-1010V對(duì)應(yīng)為04095,采用“除二取余”法計(jì)算相應(yīng)的二進(jìn)制碼，驗(yàn)證 發(fā)現(xiàn)結(jié)果是比較準(zhǔn)確的，誤差較小。D/A轉(zhuǎn)換在程序中多次改變車(chē)出電壓的大小 （通過(guò)改變主程序中 DAoutput （0, x）中的函數(shù)）, 利用電壓表測(cè)量實(shí)際 DA1輸出的電壓值，運(yùn)行程序后，得到的具體的D/A轉(zhuǎn)換的對(duì)應(yīng)關(guān)系如 表：程序設(shè)定值（V）電壓表輸出電壓值（V）2.52.503.03.00由表中數(shù)據(jù)可以看出， DA1通道的輸出電壓值與程序中設(shè)定的值十分接近（相等） ，在 誤差允許的范圍內(nèi)認(rèn)為輸出值正確。六、實(shí)驗(yàn)總結(jié)1 .此次實(shí)驗(yàn)比較簡(jiǎn)單，通過(guò)

11、簡(jiǎn)單地連線驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出程序可以將外界輸入電壓通過(guò)A/D以及D/A轉(zhuǎn)換，得到與原輸入值大致相等的電壓。2 .輸入電壓與二進(jìn)制的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：-1010V對(duì)應(yīng)為04095（程序設(shè)定A/D轉(zhuǎn)換精度為12位），相當(dāng)于每1V對(duì)應(yīng)十進(jìn)制為204.8 ;通過(guò)“除二取余”法，假定data為待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，temp為轉(zhuǎn)化后數(shù)據(jù)，Dim為轉(zhuǎn)換精度，通過(guò)循環(huán)：for（int i=0;i<Dim;i+） tempDim-1-i=data%2+48;（程序中加48是將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為ASCII碼）data/=2;tempDim='0'將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制碼。第二部分實(shí)驗(yàn)二數(shù)字

12、PID調(diào)節(jié)器算法的研究、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過(guò)編程熟悉 VC+鈉 Win32 Console Application 的編程環(huán)境；2、通過(guò)編程熟悉 PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)輸入輸出；3、掌握PID控制器的編程方法；4、了解閉環(huán)控制系統(tǒng)的概念與控制方法；5、熟悉定時(shí)器及顯示界面的使用方法；二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1. THBDC-1型控制理論計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)2. PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡一塊3. PC機(jī) 1 臺(tái)(安裝軟件 “ VC+” 及 “THJK_Server三、實(shí)驗(yàn)原理1 .被控對(duì)象的模擬與計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成，R (t)word教育資料u(k)kpe(k)會(huì)產(chǎn)生大幅度的變化, 增量式控

13、制算法。其增量形式為：u(k) u(k 1)Kpe(k) e(k 1) K&k) Kde(k) 2e(k1) e(k 2)圖2-1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理框圖圖中信號(hào)的離散化通過(guò)PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡的采樣開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。2 .常規(guī)PID控制算法常規(guī)PID控制位置式算法為-e(i) T4e(k) e(k 1),當(dāng)計(jì)算機(jī)等外部環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，U(k)T L 這對(duì)很多執(zhí)行對(duì)象來(lái)說(shuō)，這種沖擊是不能接受的。所以，工程上常用智能PID算法，微分先臨界比例度法、階躍 如擴(kuò)充的臨界比例度式中&-比例系數(shù)K=K T積分系數(shù)，T采樣周期 pI i氏=K p Td微分系數(shù) p T本實(shí)驗(yàn)就是采用的 PID

14、增量式算法。根據(jù)被控對(duì)象和環(huán)境等不同，還可以采用積分分離 PID算法,行等多種形式的 PID控制算法。圖中信號(hào)的離散化是由數(shù)據(jù)采集卡的采樣開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。3 .數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定在模擬控制系統(tǒng)中， 參數(shù)整定的方法較多，常用的實(shí)驗(yàn)整定法有： 響應(yīng)曲線法、試湊法等。我們控制器參數(shù)的整定也可采用類(lèi)似的方法，法、擴(kuò)充的階躍響應(yīng)曲線法、試湊法等。針對(duì)本實(shí)驗(yàn)的二階線性系統(tǒng)對(duì)象，建議用衰減曲線法：自動(dòng)控制原理 田玉平二版316頁(yè)。4 .程序流程圖:Y等待四、實(shí)驗(yàn)步驟1、仔細(xì)閱讀“PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡驅(qū)動(dòng)函數(shù)說(shuō)明.doc ”和“THJK-Server軟件使用說(shuō)明.doc” 文檔，掌握PCI-1711

15、數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)輸入輸出方法和THJK-Server軟件（及相關(guān)函數(shù)）的使用方法。2、模擬電路接線圖如下所示：十5V">0 AD2GND圖2-2二階被控對(duì)象與計(jì)算機(jī)連接圖圖中 R1=510K R2=510K R3=100K R4=200K C1=1uF, C2=10uF。DA1, AD1, AD2, 是PCI-1711實(shí)驗(yàn)面板的接口3、用導(dǎo)線將二階模擬系統(tǒng)的輸入端連接到PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡的“ DAT輸出端，系統(tǒng)的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的“ AD1'輸入端相連；4、用導(dǎo)線將+5V直流電源輸出端連接到PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡的“ AD2'輸入端，作為階躍觸發(fā)使

16、用，階躍幅度由軟件設(shè)定。初始時(shí)，+5V電源開(kāi)關(guān)處于“關(guān)”狀態(tài)；5、打開(kāi)數(shù)字PID實(shí)驗(yàn)文件夾下.dsw工程文件，源程序中缺少 PID算法程序。請(qǐng)同學(xué)用增 量式算法編寫(xiě)PID控制程序。6、源程序編譯通過(guò)后，先啟動(dòng)" THJK_Server”圖形顯示軟件，再執(zhí)行程序代碼，在顯示界面出現(xiàn)的曲線并穩(wěn)定后（初始化后），把+5V電源打到“開(kāi)”狀態(tài)，觀測(cè)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，在鍵盤(pán)上按下“e”和“ Enter （回車(chē)鍵）”鍵，程序退出。7、用衰減曲線法反復(fù)調(diào)試PID參數(shù)，選擇適當(dāng)?shù)?PID參數(shù)后，重復(fù)第 5步驟，直到得到滿意的階躍響應(yīng)曲線為止并截圖。五、實(shí)驗(yàn)記錄1 .編寫(xiě)PID數(shù)字控制器

17、的C+和序(增量式算法)PID 算法函數(shù)：pid0=P;pid1=I;pid2=D 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;比例項(xiàng)當(dāng)前積分項(xiàng) 微分項(xiàng)q0=pid0*(ei-ex);/if (pid1=0)q1=0;elseq1=pid0*Ts*ei/pid1 ;/q2=pid0*pid2*(ei-2*ex+ey)/Ts;/ey=ex;ex=ei;o

18、p=op+q0+q1+q2;return op;程序?qū)ID參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行編程，采用的是增量式算法2 .無(wú)PID調(diào)節(jié)時(shí)，得到的階躍響應(yīng)曲線：際而 2 哥苒1埋金*1： 5.0OD憶m田5常雅熊聒f.1 '3E肝 6.T31&r?1rg ID 1Z 11 Ifi IS ZD |D.12a2利d圖1無(wú)PID調(diào)節(jié)時(shí)階躍響應(yīng)曲線此時(shí)設(shè)定P=1, I=0, D=0,傳遞函數(shù)為：G1 20.51s 1 2s 1可以看到無(wú)PID時(shí)，階躍響應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，且有較大的穩(wěn)態(tài)誤差。3.繪制二階被控對(duì)象在采用數(shù)字控制器后的階躍曲線(1)利用“衰減曲線法”，先采用比例控制，使 k從0逐漸增加K577.

19、58衰減振蕩比8.504.254.002.62直到系統(tǒng)出現(xiàn)如圖所示 4: 1的衰減振蕩:記錄此時(shí)的Kr=7.5 , 1=10000 ,并測(cè)出此時(shí)的振蕩周期Pr=1.67(2)將其代入公式：Kp=0.85Kr=6.375 , Ti=0.5Pr=0.835 , Td=0,得PI控制的階躍響應(yīng)曲10-a-6-prw 3前叫照_處學(xué)上沒(méi)二常足肌鮑0 39,937 -堵加：歷而莉一時(shí).D.11S+圖2 PI調(diào)節(jié)時(shí)階躍響應(yīng)曲線由實(shí)驗(yàn)曲線可知，階躍響應(yīng)有所改善，但對(duì)于積分調(diào)節(jié)，具有積分作用的PI調(diào)節(jié)器，只要被調(diào)量和給定值之間有誤差，其輸出就會(huì)不停的變化。由于某種原因，誤差一時(shí)無(wú)法消除，調(diào)節(jié)器就要不停的校正這

20、個(gè)誤差，結(jié)果很容易造成積分飽和，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致處理器溢出。因此實(shí)際應(yīng)用中必須采取一定的改進(jìn)措施避免出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，如積分分離、遇限消弱積分、停止飽和積分、反饋抑制積分飽和等。(3)將其代入公式： Kp=1.25Kr=9.375 , Ti=0.3Pr=0.501 , Td=0.1Pr=0.167 ,得 PID 控制的 階躍響應(yīng)曲線：'J：fi-fi二堪用4利息比三10- I圖3較好的PID參數(shù)時(shí)的階躍響應(yīng)曲線從圖中可以看出，此時(shí)的階躍響應(yīng)超調(diào)量較小，且響應(yīng)時(shí)間較短，PID調(diào)節(jié)比較理想。(4)分析采樣周期 Ts對(duì)系統(tǒng)階躍響應(yīng)的影響當(dāng)Ts=50ms時(shí)，階躍響應(yīng)曲線如圖 4所示：1 ODD三，g:后10- 器於幄？ 但斗二上5 U-fl如 H4 小田 以三 WL6 Z4司間pTW希同1M/53"f'； -rr： EH +0 TH當(dāng)Ts=80ms時(shí)，階躍響應(yīng)曲線如圖 5所示:ta：12-三/i動(dòng)宮史系1D-H當(dāng)Ts=150ms時(shí)，階躍響應(yīng)曲線如圖 6所示:與T=100ms相比，適當(dāng)減小或增大采樣周期，調(diào)節(jié)時(shí)間會(huì)增加，雖然不是最理想的PID參數(shù)，但是系統(tǒng)有穩(wěn)定的輸出，且系統(tǒng)的階躍響應(yīng)與模擬系統(tǒng)的輸出響應(yīng)基本吻合。繼續(xù)增大采樣周期，由于不滿足香農(nóng)定理，系統(tǒng)響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重失真，系統(tǒng)的輸出不能穩(wěn)定。六、實(shí)驗(yàn)總結(jié)1、PID控制器中的比例環(huán)節(jié) Kp,調(diào)整系統(tǒng)