1、東南大學自動化學院實 驗 報 告課程名稱： 計算機控制技術 第 1 次實驗實驗名稱： A/D與D/A轉換 & 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器算法的研究 院 （系）： 自動化學院 專 業(yè)： 自動化 姓 名： 學 號： 實 驗 室： 416 實驗組別： 同組人員： 實驗時間： 2014年 3月 20日評定成績： 審閱教師： 第一部分實驗一A/D與D/A轉換一、實驗目的1、通過編程熟悉VC+的Win32 Console Application的編程環(huán)境；2、通過編程熟悉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轉換芯片的轉換性能；4、通過實驗了解字節(jié)數(shù)與二進制數(shù)的轉換。二、實驗設備1TH

2、BDC-1型控制理論·計算機控制技術實驗平臺2PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡一塊3PC機1臺(安裝軟件“VC+”及“THJK_Server”) 三、實驗原理1數(shù)據(jù)采集卡PCI-1711是輸入功能強大的低成本多功能PCI總線卡。 特點：16路單端模擬量輸入 12位A/D轉換器，采樣速率可達100KHz 每個輸入通道的增益可編程 自動通道/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/定時器圖1-1 PCI-1711卡管腳圖2. AD/DA轉換原理該卡在進行A/D轉換實驗時，輸入電壓與二進制的對應關系為：-

3、1010V對應為04095(A/D轉換精度為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）0111 1111 1111負滿度+1LSB 0000 0000 0001負滿度0000 0000 0000D/A通道輸出范圍為010V。四、實驗步驟1、仔細閱讀“PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡驅動函數(shù)說明.doc”文檔。2、 將實驗臺上的“階躍信號發(fā)生器”的輸出端通過導線與PCI-1711數(shù)據(jù)采集接口的AD1通道輸入端相連，同時將PCI-1711數(shù)據(jù)采集接口的AD1通道通過導線與實驗平臺上的交直流數(shù)字電壓表（選取直流檔）的輸入端相連；3

4、、打開ADDA實驗VC+程序文件夾，打開.dsw工程文件，添加缺少的main函數(shù)（主程序），編程實現(xiàn)以下功能： 在運行程序后的DOS界面上應顯示AD第一通道輸入值，同時并顯示出轉換后對應的以十進制存放的二進制碼，并將其轉換為二進制碼； 在程序中使用輸出函數(shù)通過DA1通道輸出一個010V的電壓（PCI-1711卡無法輸出負電壓），然后使用THBDC-1型實驗平臺上的直流數(shù)字電壓表進行測量，并確認輸出值是否正確。五、實驗記錄1.系統(tǒng)main函數(shù)如下：void main() /主程序init_1711();for(;)ADinput(0); /讀取AD1通道的電壓值printf("AD1通

5、道輸入值:%.3fn",fVoltage);ADbinaryIn(0); /讀取AD1通道的二進制電壓值printf("AD1通道的二進制值為（以十進制數(shù)存放）:%dn",bin);/-10V10V對應為(04095) /AD數(shù)據(jù)轉換為二進制char *temp = new charNUM+1;Convert(bin,temp,NUM); /十進制數(shù)轉換為二進制數(shù)的轉換函數(shù)printf("AD1通道數(shù)據(jù)轉換為二進制為:%sn",temp); delete temp;DAoutput(0,3.2); /從DA1通道輸出3.2V的電壓值 print

6、f("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);/十進制數(shù)轉換為二進制數(shù)void ErrorHandler( DWORD dwErrCde ); /通過錯誤代碼來獲取相應的錯誤

7、信息函數(shù)void ErrorStop( long*, DWORD );/出錯處理函數(shù)bool init_1711();/初始化設備void expexit();/關閉設備float ADinput(unsigned char chan);/模擬量輸入函數(shù)bool DAoutput(unsigned char chan,float DAdata);/模擬量輸出函數(shù)USHORT ADbinaryIn(unsigned char chan); /模擬量輸入函數(shù)(二進制形式)3.由于是驗證性實驗，以下為我們記錄的兩組數(shù)據(jù)：A/D轉換通過改變滑動變阻器的阻值，改變AD1輸入端輸入電壓的大小，用電壓表測出

8、實際輸入的電壓值，并記錄通過A/D轉換計算機采集的十進制與二進制值，程序運行結果見下表中，在變化過程中實際輸入與計算機采集的數(shù)據(jù)的對應關系如表：直流電壓表（v）程序運行后DOS界面顯示結果AD1通道輸入值AD1通道數(shù)據(jù)轉化為十進制AD1通道數(shù)據(jù)轉化為二進制碼0.000.00020470111111111115.004.982306810111111110010.009.9854092111111111100-5.00-4.9321037010000001101程序將外界輸入電壓通過A/D轉換得到與原輸入值大致相等的電壓，輸入電壓與二進制的對應關系為：-1010V對應為04095，采用“除二取余

9、”法計算相應的二進制碼，驗證發(fā)現(xiàn)結果是比較準確的，誤差較小。D/A轉換在程序中多次改變輸出電壓的大小(通過改變主程序中DAoutput（0，x）中的函數(shù))，利用電壓表測量實際DA1輸出的電壓值，運行程序后，得到的具體的D/A轉換的對應關系如表：程序設定值（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定的值十分接近（相等），在誤差允許的范圍內(nèi)認為輸出值正確。六、實驗總結1.此次實驗比較簡單，通過簡單地連線驗證實驗結果的正確性，由實驗結果可以看出程序可以將外界輸入電壓通過A/D以及D/A轉換，得到與原輸入值大致相等的電壓。2.輸入電壓與

10、二進制的對應關系為：-1010V對應為04095(程序設定A/D轉換精度為12位)，相當于每1V對應十進制為204.8；通過“除二取余”法，假定data為待轉換數(shù)據(jù)，temp為轉化后數(shù)據(jù)，Dim為轉換精度，通過循環(huán)：for(int i=0;i<Dim;i+)tempDim-1-i=data%2+48;/（程序中加48是將二進制數(shù)轉換為ASCII碼）data/=2;tempDim='0'將十進制數(shù)轉化為二進制碼。第二部分實驗二數(shù)字PID調(diào)節(jié)器算法的研究一、實驗目的1、通過編程熟悉VC+的Win32 Console Application的編程環(huán)境；2、通過編程熟悉PCI-1

11、711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、熟悉定時器及顯示界面的使用方法；二、實驗設備1THBDC-1型 控制理論·計算機控制技術實驗平臺2PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡一塊3PC機1臺(安裝軟件“VC+”及“THJK_Server”) 三、實驗原理1被控對象的模擬與計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)的構成，PID二階對象+-計算機DA1AD1R（t）Y（t）圖2-1計算機控制系統(tǒng)原理框圖圖中信號的離散化通過 PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡的采樣開關來實現(xiàn)。2常規(guī)PID控制算法常規(guī)PID控制位置式算法為，當計算機等外部環(huán)境發(fā)生變化時，U（k）會

12、產(chǎn)生大幅度的變化，這對很多執(zhí)行對象來說，這種沖擊是不能接受的。所以，工程上常用增量式控制算法。其增量形式為：式中Kp-比例系數(shù)Ki=積分系數(shù)，T采樣周期Kd微分系數(shù)本實驗就是采用的PID增量式算法。根據(jù)被控對象和環(huán)境等不同，還可以采用積分分離PID算法，智能PID算法，微分先行等多種形式的PID控制算法。圖中信號的離散化是由數(shù)據(jù)采集卡的采樣開關來實現(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，常用的實驗整定法有：臨界比例度法、階躍響應曲線法、試湊法等。我們控制器參數(shù)的整定也可采用類似的方法，如擴充的臨界比例度法、擴充的階躍響應曲線法、試湊法等。針對本實驗的二階線性系統(tǒng)對

13、象，建議用衰減曲線法：自動控制原理田玉平二版316頁。開始初始化數(shù)據(jù)采集卡，與顯示軟件進行通信，從鍵盤輸入有關輸入?yún)?shù)按下“e”和“enter”鍵否？A/D采樣，PID控制控制量限幅，D/A輸出控制量在顯示軟件上畫出階躍響應曲線定時器時間到？等待關閉設備，結束NNYY4程序流程圖：四、實驗步驟1、仔細閱讀“PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡驅動函數(shù)說明.doc”和“THJK-Server軟件使用說明.doc”文檔，掌握PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)輸入輸出方法和THJK-Server軟件（及相關函數(shù)）的使用方法。2、模擬電路接線圖如下所示： 圖2-2 二階被控對象與計算機連接圖圖中R1=510K，R

14、2=510K，R3=100K，R4=200K，C1=1uF，C2=10uF。DA1, AD1, AD2, 是PCI-1711實驗面板的接口3、 用導線將二階模擬系統(tǒng)的輸入端連接到PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡的“DA1”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)使用，階躍幅度由軟件設定。初始時，+5V電源開關處于“關”狀態(tài)；5、 打開數(shù)字PID實驗文件夾下dsw工程文件，源程序中缺少PID算法程序。請同學用增量式算法編寫PID控制程序。6、 源程序編譯通過后，先啟動“THJK_Serve

15、r”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”狀態(tài)，觀測系統(tǒng)的階躍響應曲線。在實驗結束后，在鍵盤上按下“e”和“Enter（回車鍵）”鍵，程序退出。7、用衰減曲線法反復調(diào)試PID參數(shù)，選擇適當?shù)腜ID參數(shù)后，重復第5步驟，直到得到滿意的階躍響應曲線為止并截圖。五、實驗記錄1編寫PID數(shù)字控制器的C+程序（增量式算法）。/PID 算法函數(shù)：pid0=P;pid1=I;pid2=Ddouble PID(double ei, double *pid,double Ts) static double ex=0,ey=0;static double q

16、0=0;static double q1=0;static double q2=0;static double op=0;q0=pid0*(ei-ex); /比例項if (pid1=0) q1=0;elseq1=pid0*Ts*ei/pid1 ; /當前積分項q2=pid0*pid2*(ei-2*ex+ey)/Ts; /微分項ey=ex; ex=ei; op=op+q0+q1+q2; return op;程序對PID參數(shù)的設置進行編程，采用的是增量式算法2.無PID調(diào)節(jié)時，得到的階躍響應曲線：圖1 無PID調(diào)節(jié)時階躍響應曲線此時設定P=1，I=0，D=0，傳遞函數(shù)為：，可以看到無PID時，階躍

17、響應的響應時間較長，且有較大的穩(wěn)態(tài)誤差。3.繪制二階被控對象在采用數(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K577.58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：記錄此時的Kr=7.5，I=10000，并測出此時的振蕩周期Pr=1.67（2） 將其代入公式：Kp=0.85Kr=6.375，Ti=0.5Pr=0.835，Td=0，得PI控制的階躍響應曲線：圖2 PI調(diào)節(jié)時階躍響應曲線由實驗曲線可知，階躍響應有所改善，但對于積分調(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，其輸出就會不停的變化。由于某種

18、原因，誤差一時無法消除，調(diào)節(jié)器就要不停的校正這個誤差，結果很容易造成積分飽和，嚴重時還會導致處理器溢出。因此實際應用中必須采取一定的改進措施避免出現(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控制的階躍響應曲線： 圖3 較好的PID參數(shù)時的階躍響應曲線從圖中可以看出，此時的階躍響應超調(diào)量較小，且響應時間較短，PID調(diào)節(jié)比較理想。（4） 分析采樣周期Ts對系統(tǒng)階躍響應的影響當Ts=50ms時，階躍響應曲線如圖4所示：當Ts=80ms時，階躍響應曲線如圖5所示：當Ts=150ms時，階躍響應曲線如圖6所示：與T=100ms相比，適當減小或增大采樣周期，調(diào)節(jié)時間會增加，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)的階躍響應與模擬系統(tǒng)的輸出響應基本吻合。繼續(xù)增大采樣周期，由于不滿足香農(nóng)定理，系統(tǒng)響應會出現(xiàn)嚴重失真，系統(tǒng)的輸出不能穩(wěn)定。6、 實驗總結1、PID控制器中的比例環(huán)節(jié)Kp，調(diào)整系統(tǒng)的開環(huán)增益，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，加快響應速度。但是Kp過大會使系統(tǒng)超調(diào)量過大，穩(wěn)定性減弱。積分環(huán)節(jié)Ki可以使系統(tǒng)