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1、实验二 基于PCI-6221数据采集卡的虚拟仪器系统组建 张凯强 0902100202一、实验目的：1、了解PCI-6221数据采集卡的功能。2、掌握如何在MAX中设置DAQ通道，以及览阅PCI-6221的设备属性、与附件的连线方式等。3、学习使用VI程序控制PCI6221卡进行数据采集。二、实验环境：软件：中文Windows2000xp，LabVIEW 8.2.1或以上版本，NI MAX7.4或以上版本。硬件：微型计算机、数据采集卡PCI-6221(68Pin)、连接器CB-68LP、电流-电压转换器。三、 实验原理：1、 PCI6221卡将作为本次实验的数据采集卡，本实验主要使用其AI和A
2、O通道，VI程序通过它来实现虚拟仪器的模拟信号采集和输出功能，下面就对它的功能予以介绍。PCI-6221卡是基于PCI总线的高性能、多功能的数据采集卡。它有16个单端输入或8个差分输入，1个16位的逐次逼近式ADC，2个以电压输出的16位DAC。PCI-6221的I/O分布如下图所示： 所有I/O连接板引脚由五组引脚组成：模拟输入信号引脚、模拟输出信号引脚、数字I/O信号引脚、定时I/O信号引脚和电源信号引脚。在本实验中只用到了Aix(x为015)模拟输入和AO0模拟输出通道，下面对其进行介绍。（1）模拟输入信号AIx的连接。模拟输入信号与PC-6221卡的连接方式取决于PCI-6221卡的模
3、拟输入电路的配置方式和输入信号源的类型。在本实验中，计算机与模拟输入信号源(*实验装置的下水箱液位传感器输出的经电流-电压转换后的15V电压信号)与PCI-6221卡具有1个公共的参考点（AISENSE），但该参考点并非为地电压，所以采用无参考地的单端测量接线方式（使用NRSE方式）。输入信号连接在PCI-6221卡AIx通道上，而信号的参考点应连接在PCI-6221卡的AISENSE引脚上。可使用NI MAX观察模拟输入信号与CB-68LP和PCI-6221的AIx（ x为各实验小组组长学号的最后1位）通道的连接方式，方法如下： 在MAX中创建NI DAQmx任务，任务属性为“模拟AIx通道
4、电压输入”、“NRSE接线方式”：. 点击NI DAQmx任务属性界面中的“连线图”，即可观察到连线方式（以AI0通道的连线方式为例），如下图所示：（2）模拟输出信号的连接。I/O连接板的22号引脚为模拟输出信号AO0的正端，54和55号引脚作为输出通道的地参考。DA输出信号范围：双极性为5V，单极性为010V。3、LabVIEW8.2.1中涉及到模拟输入和模拟输出的操作函数在函数模板中的“测量I/O”“DAQmx-数据采集“子模板中。本次实验中，需要使用以下几种函数对PCI-6221卡进行操作：（1）对单通道模拟输入的操作：DAQmx Creat Virtual Channel.VI：用于创
5、建一个或一批虚拟通道，在其“物理通道”端口选择PCI-6221所对应的设备号，并设置好通道、输入上下限、接线方式等参数；DAQmx Timing.VI：用于设置通道的采样频率、采样时钟源、采样模式等参数；DAQmx Start.VI：用于启动一个输入/输出任务，当启动后PCI-6221即可按设定的方式将数据采集/输出发送到计算机的缓存中；DAQmx Read.VI：用于从缓存中读出所采集到的数据；DAQmx Stop.VI：停止数据采集任务；DAQmx Clear.VI：用于清除DAQmx任务并释放缓存。（2）对模拟输出的操作： DAQmx Write.VI：用于向缓存中写入需要输出的数据；当
6、写入缓存后，使用DAQmx Start.VI启动任务，PCI-6221即可按设定的方式将数据从缓存中发送到计算机的AO通道； DAQmx Wait Until Done.VI：该VI用于确保在任务结束前输入或输出数据的操作已完成，通常用于有限采样（Finita Samples)的输入或输出操作。四、实验内容：1、 利用NI MAX配置PCI-6221数据采集卡，以*实验装置的下水箱液位传感器输出的15V电压信号为模拟输入信号，在MAX中观察模式输入信号与CB-68LP和PCI-6221的AIx（ x为各实验小组组长学号的最后1位）通道的连接图（采用NRSE连线方式）。2、 根据观察到的连线方式
7、，完成模式输入信号与CB-68LP的连线。3、 手动控制*实验装置的电磁阀，将控制信号设置为最大（20mA），使流量最大（则下水箱液位将不断上升直到最大值），从PCI-6221卡的通道AIx中对下水箱液位数据进行采集（在While循环中进行有限采样，循环间隔为100ms，采样速率设置为10kHz，每次采集100个点，然后对这100个点取平均值，将平均值的范围强制在15V（即平均值低于1V就设置为1V，平均值高于5V就设置为5V），并转换为对应的液位值（0100，即1V对应液位0，5V对应液位100，以此类推）后，使用波形图表将液位值曲线显示出来，观察曲线与实际的下水箱液位之间的关系。4、 将液
8、位值曲线及其对应的采样时间保存在一个文本文件中。5、 将PCI-6221卡的AO0通道与*实验装置的电磁阀控制通道相连接；因为电磁阀控制信号为420mA的电流信号，而PCI-6221只能输出电压信号，因此必须将电压信号通过转换电阻转换为电流信号。6、 用PCI-6221卡的AO0输出一个范围为2.03.0V，步长为0.1V的电压值，观察电磁阀的开度与输出电压的关系。五、 实验截图 六、 回答以下问题： 在实验步骤3中，为何将每次采集100个点取平均后作为液位测量值，而不是每次采集1个点直接作为液位的测量值？答：每次采集100个点取平均值后作为液位的测量值与每次采集1个点直接作为液位测量值与每次
9、采集1个点直接作为液位的测量值相比可大大的减少随白噪声带来的误差，提高测量的准确度。以为白噪声是无处不在的，但是在一段较长的诗句范围内，白噪声的幅值平均为零，采样100个点取平均后可以近似消灭白噪声对测量结果影响。而每次只采样一个点是不可能消除白噪声对测量结果的影响的。 采集100个点的时间比采集1个点的时间要长，这对测量结果的影响是否很大？为什么？ 答：影响不大。因为采样频率为10000Hz，采样100个点的时间为10ms，在这10ms时间内水箱液位的变化可近似为零，也就是说在10ms时间里水箱液位值可以看做是不变的。所以测量值绝对能可靠的反映实际的液位值。 实验三 基于LabVIEW和PC
10、I-6221的单容水箱液位控制系统张凯强 0902100202一、 实验目的：学习如何利用LabVIEW开发平台设计一个单回路的单容水箱液位控制系统，使用PID控制算法使液位保持在值上。 二、 实验环境：软件：中文Windows2000xp，LabVIEW 8.2.1或以上版本，NI MAX7.4或以上版本。硬件：A3000高级过程控制系统、微型计算机、数据采集卡PCI-6221(68Pin)、连接器CB-68LP、电流-电压转换器。三、 实验系统的系统流程图 四、实验原理 1、基本原理本实验采用PC+LabVIEW软件作为液位控制器（LC），将液位控制在设定高度上。将液位传感器（LT）输出的
11、420mA电流信号转换为15V电压信号后，使用PCI-6221数据采集卡的AIx通道进行采集并上传到计算机（具体的连线方法和采样设置请参照实验二进行），然后在LabVIEW程序中编写PID控制程序，根据P、I、D参数进行PID运算，将PID运算结果（即控制信号u）经PCI-6221的AO0通道输出到电磁阀，控制电磁阀调节水箱的进水流量，从而达到使液位值稳定在设定值上的目的。2、增量PID控制算法本实验采用增量PID控制算法，其计算公式为：式中，u ( k ) 为PID 调节器增量输出值；KC 为PID调节器的比例系数；K I 为PID 调节器的积分系数；K D 为PID调节器的微分系数； k
12、为采样序号( k= 0,1, 2, )；e( k ) 为第k 次采样时的偏差值；e ( k - 1)为第k-1次采样时的偏差值； e ( k -2) 为第k-2次采样时的偏差值；u(k)为本次PID运算输出的控制信号，u0为上次PID运算输出的控制信号。液位控制系统结构框图如下图所示：控制器电磁阀水槽（液位）液位测量装置扰动+-五、实验步骤1、 参照实验二的方式将液位传感器信号通过CB-68LP与PCI-6221的AIx（ x为各实验小组组长学号的最后1位）进行连接；将PCI-6221的AO0通道与A3000高级过程控制装置的电磁阀控制端口相连接。2、 在LabVIEW中编写PID控制程序：
13、前面板设计 前面板要求能够显示当前的采样电压值及其对应液位值（液位值用图形方式进行显示），能够通过输入控件设置液位设定值和KC、K I、K D这三个参数值和，还能将当前液位值、设定值和PID控制信号u的曲线在同一个波形图表中进行显示。 程序框图设计 程序框图使用While循环，按照实验二的设置对当前液位值进行采样，并计算出偏差值e(k）；根据e(k），按照增量PID控制算法计算出控制信号u(k)，按照实验二的设置将u(k)通过PCI-6221的AO0通道输出到电磁阀的控制端口以对进水流量进行控制。 注意事项 当停止程序时，设计一个VI，将电压“0”输出到PCI-6221的AO0通道，以防止AO
14、0通道长期保持高电压状态。4、 运行程序，在纯比例控制下（K I=0、K D=0），给液位设定值加入阶跃信号（注意：只有当系统稳定后才能加入新的阶跃信号），观察并记录在不同的KC值下系统的响应曲线，记录下最佳响应曲线对应的KC值。5、 加入积分作用，在PI状态下整定系统，观察并记录在不同的KI值下系统的响应曲线，与纯比例控制的效果进行对比。六、 实验截图七、回答以下问题： 增量PID运算需要使用到上2次的偏差值即e ( k - 1)和e ( k - 2)，在程序中该如何实现？答：利用FOR循环的移位寄存器可以得到实现。 你在程序中对液位进行采样的间隔取多少？请说明理由。答：2000ms.水箱液位控制属于慢过程，采样间隔过短会使得两次采集的偏差值很小，控制器（电磁阀）动作过于频繁可能会导致仪器损坏。 你所编写的PID控制程序是否取得了较好的控制效果？如果不能，请分析下原因。答：没有取得较好的控制效果，增量PID运算不适合运用在对液位的控制。因为增量PID适合运用在比较快速的响应上，比如电机转速；可以改用位置PID运算对液位进行控制，能得到比较的控制效果。
