数字PID调节器算法的研究Word格式.docx
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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
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
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
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
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;
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:
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。
=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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- 数字 PID 调节器 算法 研究
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