CN104062898A - 一种数字pid控制算法实验平台及其实现方法 - Google Patents

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刘攀攀
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Abstract

一种数字PID控制算法实验平台及其实现方法，包括，能够实现数字PID控制算法的计算机和实验箱；停止实验时，自动将纯积分电容两端并联的常开触点闭合，释放纯积分电容上的电荷，以便实现对含有积分环节的控制对象的实验，使积分电路在二次启动实验之前电荷释放。

Description

一种数字PID控制算法实验平台及其实现方法
技术领域
本发明涉及电子产品领域，更准确地说，本发明涉及这样一种软硬件***，即通过该***可以实现数字PID控制算法的实验。
背景技术
在高校“计算机控制技术”的课程教学中，需要进行数字PID控制算法的实验，以使学生掌握数字PID控制算法的编写方法。在现有的数字PID控制算法实验平台中，控制对象通常采用运放等电子元件构成。然而，现有的设计方案应用于具有积分环节的控制对象时，由于运放搭建的积分电路会储存电荷，从而造成第二次启动实验时，***的输出响应不从0开始，而是从某个随机值开始，这样就产生了错误的输出响应。
因此，针对这一情况，以计算机为核心，通过软硬件结合的方法，给出了一种数字PID实验平台的设计方法，以便可以实现对含有积分环节的控制对象的实验。
发明内容
本发明的实施例的目的在于提供一种数字PID控制算法实验平台及其实现方法，以便实现对含有积分环节的控制对象的实验，使积分电路在二次启动实验之前电荷释放。
为实现上述技术目的，所采用的技术方案是：包括，能够实现数字PID控制算法的计算机和实验箱；
计算机中***一块PCI数据采集卡，包括1路10位模数转换A/D，1路10位数模转换D/A，并根据所模拟的控制对象所包含的积分环节的数量，设置包含相应数量的数字量输出DO；
实验箱使用220V交流电作为电源，通过电源转换模块得到提供给各路电路使用的电源电量；
实验箱内包含运放、电阻、电容、继电器、以及继电器驱动芯片，运放电源引脚连接转换电源，继电器的一个引脚连接转换电源的正极，继电器驱动芯片的输出连接继电器的另一个引脚，所有元件的其余引脚连接到实验箱的上面板，实验时，可以使用导线将电子元件连接，以便组成不同的控制对象用于实验；
在连接控制对象时，纯积分电路中电容的两端应分别连接继电器的常开触点的两端，在正常实验时，需要继电器不工作，以便其常开触点断开，该电路就是正常的积分电路；当停止实验时，继电器工作，以便其常开触点闭合，给电容放电。
PCI数据采集卡的模数转换A/D引脚连接实验箱所连接的控制对象的输出引脚，数据采集卡的数模转换D/A引脚连接实验箱所连接的控制对象的输入引脚，数据采集卡的数字量输出DO引脚连接实验箱所连接控制对象的继电器驱动芯片的输入引脚。
一种数字PID控制算法实验平台的实现方法主要包括以下步骤：
步骤1：初始化数据采集卡；
步骤2：对数据采集卡设置采样周期，比例系数，积分系数和微分系数，以便掌握PID控制算法中各个参数的作用。设置完成后，一旦用户启动程序执行，则执行步骤3；
步骤3：通过数据采集卡的数字量输出引脚输出0，使继电器的常开触点断开，使实验时控制对象的传递函数保持不变；
步骤4：使用数据采集卡的A/D引脚采集控制对象的输出量，并将其转换为实际的模拟量；
步骤5：运行位置式PID控制算法 ，其中，k表示第k个采样周期的时刻；u(k)表示第k个采样时刻控制器的输出量；偏差e(k)表示偏差，是给定值和输出量的差值，Kp、Ki和Kd分别表示比例系数、积分系数和微分系数；
或者运行增量式PID算法；
步骤6：将PID控制算法的输出转换为10位数字量，并将该数字量通过数据采集卡的D/A引脚输出到控制对象；
步骤7：如果执行时间达到设定的执行时间，或者控制计算机执行停止操作，则执行步骤8，否则在采样周期后返回步骤4继续执行；
步骤8：通过数据采集卡的数字量输出引脚输出1，驱动继电器驱动芯片,使继电器的常开触点闭合，使积分电路中电容上的电荷释放；
步骤9：释放设备。
本发明的有益效果是：现有技术在进行数字PID控制算法的实验时，需要频繁地启动和停止实验。开始执行实验时，首先执行步骤3，将纯积分电容两端并联的常开触点断开，保证控制对象的传递函数保持不变，从而不影响实验效果；一旦按下停止实验按钮，或者执行设定时间而使实验停止后，自动将纯积分电容两端并联的常开触点闭合，释放纯积分电容上的电荷，从而不影响下次启动实验的效果。
附图说明
图1是本发明实施例提供的控制***模型框图。
图2是实验箱框图；
图3 是1型控制对象的实验电路；
图4是使用Labview语言设计的前面板；
图5是使用继电器时的单位阶跃响应图；
图6时未使用接继电器时的单位阶跃响应图。
具体实施方式
本发明实施例的目的在于提供一个数字PID控制算法实验平台，包括计算机和实验箱；
计算机作为控制器，可以由用户编写数字PID控制算法，并可以设置采样周期、比例系数、积分系数和微分系数等相关参数；计算机包括数据采集卡，该采集卡插到计算机的PCI插槽上，实现模拟量输入、模拟量输出和数字量输出等功能；
实验箱由220V供电，通过电源模块得到和+5V电压；该实验箱包含多个运放模块、继电器、继电器驱动芯片、模拟控制对象所需的多种阻值的电阻和多个容值的电容；运放连接电源，继电器驱动芯片连接+5V，继电器的一个引脚连接+5V，另一引脚连接继电器驱动芯片的输出引脚；实验箱的上面板上留有以上电子元件引脚的其余接口，包括运放的同相输入端、反相输入端和输出端，电阻的两个引脚，电容的两个引脚；使用实验箱的各种元件，利用导线可以搭建含有积分环节的控制对象。
***包含若干导线，将数据采集卡和实验箱相连。数据采集卡的模数转换引脚连接实验箱所连接的控制对象的输出引脚，数据采集卡的数模转换引脚连接实验箱所连接的控制对象的输入引脚，数据采集卡的数字量输出引脚连接实验箱所连接控制对象的继电器驱动芯片的输入引脚。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅用以解释本发明，并不用于限制本发明。
本发明的实施例提供一种数字PID控制算法的实验平台。其实现方案如下：
图1中的控制算法D(z)由一台计算机实现，用户通过在计算中使用labview编写程序，实现数字PID控制算法；表示0阶保持器的传递函数，其功能由D/A转换器实现；W(s)表示控制对象的传递函数，本实例假定，即控制对象包括一个积分环节和一个一阶惯性环节。
计算机中***一块北京阿尔泰科技有限公司的PCI数据采集卡，至少包括1路10位模数转换A/D，输入为-5V~+5V，其引脚为AI0；1路10位数模转换D/A，输出为-5V~+5V，其引脚为AO0；一路数字量输出DO, 输出为-5V~+5V，其引脚为 DO0。
实验箱使用220V交流电作为电源，通过电源转换模块得到电源提供给运放使用，+5V电源提供给其余实验电路使用，实验箱内部结构如图2所示；
如图2所示，实验箱包含实验所需要的四运放LM124，电阻，电容，继电器，和继电器驱动芯片MC1413。运放电源引脚已经链接，继电器的一个引脚已连接+5V，，继电器驱动芯片MC1413的输出连接继电器的另一个引脚，MC1413的引脚8和9分别连接地和+5V电源。所有器件的其余引脚通过插孔链接到实验箱的上面板，用户使用导线连接可以组成控制对象进行实验；
在实验箱上，使用导线即可连接如图3所示的实验电路,该实验电路在继电器K1的常开触点断开时的传递函数就是。因此，在正常实验时，需要继电器不工作，以便其常开触点断开；当停止实验时，继电器工作，以便其常开触点闭合，给电容C1放电。
数据采集卡的模数转换引脚AD0连接实验箱所连接的控制对象的输出引脚U2，数据采集卡的数模转换引脚DA0连接实验箱所连接的控制对象的输入引脚U1，数据采集卡的数字量输出引脚DO0连接实验箱所连接控制对象的继电器驱动芯片MC1413的引脚1。
以上硬件连接完成后，在计算机上使用Labview编写控制软件，其前面板如图4所示，在该界面的左侧可输入PID参数和采样周期，并可显示采集的模拟量输出和对应的数字量，以及输出的模拟控制量和对应的数字量；而在该界面的右侧有两个波形图表，上面的用于显示给定值，下面的用于显示输出响应。软件主要包括以下步骤：
步骤1：初始化数据采集卡；
步骤2：用户通过前面板设置采样周期，比例系数，积分系数，微分系数。设置完成后，一旦用户启动程序执行，则执行步骤3；
步骤3：通过数据采集卡的数字量输出引脚输出0，使继电器K1的常开触点断开，使实验时控制对象的传递函数保持不变；
步骤4：使用数据采集卡的A/D引脚AO0采集控制对象的输出量，并将其转换为实际的模拟量；
步骤5：运行位置式PID控制算法，其中，k表示第k个采样周期的时刻；u(k)表示第k个采样时刻控制器的输出量；e(k)表示偏差，是给定值和输出量的差值，Kp、Ki和Kd分别表示比例系数、积分系数和微分系数；
或者运行增量式PID算法；
步骤6：将PID控制算法的输出转换为10位数字量，并将该数字量通过数据采集卡的D/A引脚AI0输出到控制对象；
步骤7：如果执行时间达到1000ms，或者用户按下了停止按钮，则执行步骤8，否则在采样周期后返回步骤4继续执行；
步骤8：通过数据采集卡的数字量输出引脚输出1，从而驱动继电器驱动芯片MC1413,使继电器K1的常开触点闭合，使电容C1上的电荷释放，就不会影响下一次实验；
步骤9：释放设备。
图5时使用接继电器常开触点时的单位阶跃响应图。在执行过程中，四次按下停止按钮，再次执行程序后，输出响应均从0开始。
图6是未使用继电器常开触点时的单位阶跃响应图。在执行过程中，四次按下停止按钮，再次执行程序后，输出响应均没有从0开始，其开始值和两次执行时间间隔有关，间隔时间越长，电容C1放电越充分，输出响应的初始值越接近于0。

Claims (2)

1.一种数字PID控制算法实验平台，其特征在于：包括，能够实现数字PID控制算法的计算机和实验箱；
计算机中***一块PCI数据采集卡，包括1路10位模数转换A/D，1路10位数模转换D/A，并根据所模拟的控制对象所包含的积分环节的数量，设置包含相应数量的数字量输出DO；
实验箱使用220V交流电作为电源，通过电源转换模块得到提供给各路电路使用的电源电量；
实验箱内包含运放、电阻、电容、继电器、以及继电器驱动芯片，运放电源引脚连接转换电源，继电器的一个引脚连接转换电源的正极，继电器驱动芯片的输出连接继电器的另一个引脚，所有元件的其余引脚连接到实验箱的上面板，实验时，可以使用导线将电子元件连接，以便组成不同的控制对象用于实验；
在连接控制对象时，纯积分电路中电容的两端应分别连接继电器的常开触点的两端，在正常实验时，需要继电器不工作，以便其常开触点断开，该电路就是正常的积分电路；当停止实验时，继电器工作，以便其常开触点闭合，给电容放电；
PCI数据采集卡的模数转换A/D引脚连接实验箱所连接的控制对象的输出引脚，数据采集卡的数模转换D/A引脚连接实验箱所连接的控制对象的输入引脚，数据采集卡的数字量输出DO引脚连接实验箱所连接控制对象的继电器驱动芯片的输入引脚。
2.如权利要求1所述的一种数字PID控制算法实验平台的实现方法，其特征在于：
步骤1：初始化数据采集卡；
步骤2：对数据采集卡设置采样周期，比例系数，积分系数和微分系数，设置完成后，启动程序执行，则执行步骤3；
步骤3：通过数据采集卡的数字量输出引脚输出0，使继电器的常开触点断开，使实验时控制对象的传递函数保持不变；
步骤4：使用数据采集卡的A/D引脚采集控制对象的输出量，并将其转换为实际的模拟量；
步骤5：运行位置式PID控制算法 ，其中，k表示第k个采样周期的时刻； u(k)表示第k个采样时刻控制器的输出量；偏差e(k)表示偏差，是给定值和输出量的差值，Kp、Ki和Kd分别表示比例系数、积分系数和微分系数；
或者运行增量式PID算法；
步骤6：将PID控制算法的输出转换为10位数字量，并将该数字量通过数据采集卡的D/A引脚输出到控制对象；
步骤7：如果执行时间达到设定的执行时间，或者控制计算机执行停止操作，则执行步骤8，否则在采样周期后返回步骤4继续执行；
步骤8：通过数据采集卡的数字量输出引脚输出1，驱动继电器驱动芯片,使继电器的常开触点闭合，使积分电路中电容上的电荷释放；
步骤9：释放设备。
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