模擬PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計

1、學(xué)校代碼： 10128學(xué) 號： 201220107054 測控電路課程設(shè)計說明書題 目：模擬PID調(diào)節(jié)器電路設(shè)計學(xué)生姓名：張亞青 學(xué) 院：機械學(xué)院系 別：測控系專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器班 級：測控12-2指導(dǎo)教師：徐永祥 徐剛 2015年 7月14 日摘 要PID調(diào)節(jié)規(guī)律是自動控制系統(tǒng)中常見而典型的控制策略，其中模擬式PID器是最基本的實現(xiàn)手段與方式。它由比例、積分、微分三種基本電路所構(gòu)成。根據(jù)不同的需求可構(gòu)成比例（P）調(diào)節(jié)、比例積分（PI）調(diào)節(jié)、比例微分（PD）調(diào)節(jié)、比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)電路。P調(diào)節(jié)的特點是有差調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器動作快，對干擾能及時和有很強的抑制作用。I調(diào)節(jié)的特點是能消除靜態(tài)偏

2、差。D調(diào)節(jié)作用是超前的調(diào)節(jié)作用，有利于克服動態(tài)偏差。借助Multisim10仿真軟件對P、PI、PD、PID調(diào)節(jié)電路以及調(diào)節(jié)功能選擇電路單元作了功能上的仿真，圓滿實現(xiàn)了對模擬式PID調(diào)節(jié)電路的研究。關(guān)鍵詞 比例；積分；微分；PID調(diào)節(jié)；仿真AbstractThe regularity of PID is normal and typical strategy on auto-control. And the analog PID controller is the basic way to achieve the function of adjustment. The analog PID (

3、Proportion Integration Differentiation) adjuster mainly consists three basic circuit of proportional, integral and differential circuit. Different combination of circuit may constitute some adjusters of different function, such as P adjuster, I adjuster, PI adjuster, PD adjuster and PID adjuster. Th

4、e proportional adjustment is a differential regulator to adjust, to be fast, to interfere in and have strong inhibition. The features of I adjuster is that it can eliminate the steady state deviation. differential adjustment is the role of advancing time, it can overcome the dynamic deviation. With

5、the assistant of Multisim10, Its successful to made a simulation analysis. keywords: Proportion; Integration; Differentiation; PID; Simulation 目錄引言1第一章PID控制器的發(fā)展21.1歷史發(fā)展：21.2 現(xiàn)狀評估：21.3研究趨勢2第二章模擬PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計32.1模擬PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計流程圖32.1.1傳感器的選擇32.1.2 放大電路的選擇42.1.2.2測量放大電路的選擇42.1.3調(diào)制電路的選擇52.1.4 帶通濾波器62.1.4.1定義62

6、.1.4.2工作原理62.1.4.3帶通濾波器的設(shè)計62.1.5解調(diào)電路72.2 輸入電路7可以看出，輸入電路不但實現(xiàn)了偏差放大，而且實現(xiàn)了電平移動。82.2.1 反相比例電路82.3比例微分電路92.4比例積分電路102.5 輸出電路11第三章仿真電路圖及其性能影響因素123.1比例環(huán)節(jié)對控制性能的影響123.2積分環(huán)節(jié)對控制性能的影響133.3微分環(huán)節(jié)對控制性能的影響13結(jié)論14參考文獻15附表1:電路元件明細(xì)表16附表2：控制仿真電路設(shè)計圖17引言PID是Proportional-Integral-Derivational的縮寫，分別指比例、積分、微分。在工業(yè)過程控制的發(fā)展史上，PID控

7、制是歷史上最悠久、生命力最強的控制方式，也是迄今最通用的控制方法。PID控制以其簡單清晰的結(jié)構(gòu)、良好的魯棒性和廣泛的適用范圍, 深受工業(yè)界的青睞,并且日益受到控制理論界的重視。即使在美、日等工業(yè)發(fā)達(dá)國家，采用高級控制技術(shù)的回路也只占很小的比例，9O% 以上的控制回路基本上還是采用PID控制器。另外，PID控制自3O年代末開始，經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，由模擬PID控制器發(fā)展到數(shù)字PID控制器，為了改善其性能，繼而出現(xiàn)了非線性PID控制、選擇性(PIDPD)控制、I-PD控制以及各種自適應(yīng)PID控制算法等。 PID 控制器在長期應(yīng)用中已積累了豐富的經(jīng)驗，然而, PID控制器能否得到有效的發(fā)揮,一方面與

8、PID控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān),另一方面也與其參數(shù)整定有很大關(guān)系。特別在工業(yè)過程控制中，當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其它技術(shù)難以應(yīng)用時，系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID技術(shù)最為方便。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對被控對象動、穩(wěn)態(tài)性能要求越來越高，使得常規(guī)PID控制器不能滿足要求，經(jīng)過長時間的探索與研究，PID控制向智能化、自適應(yīng)化、最優(yōu)化方向發(fā)展的趨勢已是明顯的事實。第一章PID控制器的發(fā)展1.1歷史發(fā)展：PID控制技術(shù)的發(fā)展可以分為兩個階段。20世紀(jì)30年代晚期微分控制的加入標(biāo)志著PID控制成為一種標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu),也是PID控制兩

9、個發(fā)展階段的分水嶺。第一個階段為發(fā)明階段( 1900 1940 )。PID控制的思想逐漸明確,氣動反饋放大器被發(fā)明,儀表工業(yè)的重心放在實際PID 控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計上。1940年以后是第二階段革新階段。在革新階段, PID 控制器已經(jīng)發(fā)展成一種魯棒的、可靠的、易于應(yīng)用的控制器。儀表工業(yè)的重心是使PID控制技術(shù)能跟上工業(yè)技術(shù)的最新發(fā)展。從氣動控制到電氣控制到電子控制再到數(shù)字控制, PID 控制器的體積逐漸縮小,性能不斷提高。一些處于世界領(lǐng)先地位的自動化儀表公司對PID控制器的早期發(fā)展做出重要貢獻,甚至可以說PID控制器完全是在實際工業(yè)應(yīng)用中被發(fā)明并逐步完善起來的。1.2 現(xiàn)狀評估：PID控制至今仍

10、是應(yīng)用最廣泛的一種實用控制器。各種現(xiàn)代控制技術(shù)的出現(xiàn)并沒有削弱PID控制器的應(yīng)用,相反,新技術(shù)的出現(xiàn)對于PID控制技術(shù)的發(fā)展起了很大的推動作用。一方面,各種新的控制思想不斷被應(yīng)用于PID控制器的設(shè)計之中或者是使用新的控制思想設(shè)計出具有PID結(jié)構(gòu)的新控制器,PID控制技術(shù)被注入了新的活力。另一方面,某些新控制技術(shù)的發(fā)展要求更精確的PID控制,從而刺激了PID控制器設(shè)計與參數(shù)整定技術(shù)的發(fā)展。在實際生產(chǎn)現(xiàn)場中，由于受到參數(shù)整定方法煩雜的困擾，常規(guī)PID控制器參數(shù)往往整定不良、性能欠佳，對運行工況的適應(yīng)性很差。針對這些問題，長期以來，人們一直在尋求PID控制器參數(shù)的自動整定技術(shù)，以適應(yīng)復(fù)雜的工況和高指

11、標(biāo)的控制要求。下面將詳細(xì)的說明模擬PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定。1.3研究趨勢對于單入單出被控對象，需要研究針對不穩(wěn)定對象或被控過程存在較大干擾情況下的PID參數(shù)整定方法，使其在初始化、抗干擾和魯棒性能方面進一步增強，使用最少量的過程信息及較簡單的操作就能較好地完成整定。對于多入多出被控對象，需要研究針對具有顯著耦合的多變量過程的多變量PID參數(shù)整定方法，進一步完善分散繼電反饋方法，盡量減少所需數(shù)據(jù)量，使其易于在線整定。智能PID控制技術(shù)有待進一步研究，將自適應(yīng)、自整定和增益計劃設(shè)定有機結(jié)合，使其具有自動診斷功能；結(jié)合專家經(jīng)驗知識、直覺推理邏輯等方法對原有PID控制器設(shè)計思想及整定方法進行改進。第二

12、章模擬PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計2.1模擬PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計流程圖對壓力傳感器是施加適當(dāng)大小的壓力，壓力傳感器可以把壓力轉(zhuǎn)換成毫伏級的差模電壓信號。因為傳感器輸出的信號很小，所以得進行放大。因為放大的信號除測量信號外，還往往有各種噪聲，為了便于區(qū)別信號與噪聲，往往給測量信號賦予一定的特征，這就需要調(diào)制電路。帶通濾波器是一個允許特定頻段的波通過，可以濾去高頻信號和低頻信號。將濾出的信號輸入解調(diào)電路進行解調(diào)，從而得到需要的信號。然后將信號輸入PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計電路，分別經(jīng)過輸入電路，比例微分電路、比例積分電路和輸出電路。取出輸出電路輸出的信號，將其反饋到輸入電路，與給定的信號進行比較，使得偏差盡可能的小。

13、其工作流程圖如下：帶通濾波器放大電路調(diào)制電路解調(diào)電路比例積分微分輸出電路壓力傳感器 圖2.1模擬PID調(diào)節(jié)器設(shè)計流程圖2.1.1傳感器的選擇MPX2100半導(dǎo)體壓力傳感器可以把壓力轉(zhuǎn)換成毫伏級的電壓信號，該壓力傳感器具有良好的線性度，它的輸出電壓與所加壓力成精確的正比例關(guān)系。另外，MPX2100所具有的溫度補償特性克服了半導(dǎo)體壓力敏感器件存在溫度漂移問題，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。1 工作原理 MPX2100是一種壓阻式壓力傳感器，在硅基片上用擴散工藝制成 4個電阻阻值相等的應(yīng)變元件構(gòu)成惠斯頓電橋。電橋有恒壓源供電和恒流源供電兩種供電方式。采用恒壓源供電的原理圖如圖 1所示.圖2.2采用恒壓源控

14、制的原理圖當(dāng)壓力傳感器受到壓力作用時，一對橋臂的電阻值增大R，另一對橋臂的電阻值減少R，電阻變化量R與壓力成正比，即 R=KP，電橋輸出電壓，即電橋輸出電壓與壓力 P成正比,如下圖所示：圖2.3傳感器輸出電壓與輸入壓力關(guān)系2.1.2 放大電路的選擇2.1.2.1定義 在測量控制系統(tǒng)中，用來放大傳感器輸出的微弱電壓、電流或電荷信號的電路稱為測量放大電路。2.1.2.2測量放大電路的選擇測量放大電路的結(jié)構(gòu)形式是由傳感器的類型決定的。例如，電阻應(yīng)變式傳感器通過電橋轉(zhuǎn)換電路輸出信號，并且用差動放大器進一步放大，因此電橋放大電路就是其測量放大電路。差動放大電路是把兩個輸入信號分別輸入到運算放大器的同相和

15、反相輸入端，然后在輸出兩個信號的差模信號，而盡量抑制兩個信號的共模成分的電路。采用差動放大電路，有利于抑制共模干擾和減小溫度漂移。其電路圖如下： 令。 所以， 圖2.4 基本差動放大電路 2.1.3調(diào)制電路的選擇選用開關(guān)電路進行調(diào)制，在輸入端加入調(diào)制信號， 是兩個場效應(yīng)晶體管，工作在開關(guān)狀態(tài)。在它們的柵極分別加入高頻載波方波信號。當(dāng)為高電平、為低電平時，V1導(dǎo)通、V2截止。若V1、V2為理想開關(guān)，輸出電壓。當(dāng)為低電平、為高電平時，V1截止、V2導(dǎo)通，輸出為零。經(jīng)過調(diào)制與幅值按0、1變化的載波信號相乘。歸一化的方波正弦載波信號按傅里葉級數(shù)展開后可寫圖2.5開關(guān)調(diào)制電路2.1.4 帶通濾波器2.1

16、.4.1定義 帶通濾波器是一個允許特定頻段的波通過同時屏蔽其他頻段的設(shè)備。2.1.4.2工作原理帶通濾波器是一個允許特定頻段的波通過同時屏蔽其他頻段的設(shè)備 比如RLC振蕩回路就是一個模擬帶通濾波器 一個理想的帶通濾波器應(yīng)該有平穩(wěn)的通帶（bandpass，允許通過的頻帶），同時限制所有通帶外頻率的波通過 但是實際上，沒有真正意義的理想帶通濾波器 真實的濾波器無法完全過濾掉所設(shè)計的通帶之外的頻率信號，在理想通帶邊界有一部分頻率衰減的區(qū)域，不能完全過濾，這一曲線被稱做滾降斜率(roll-off) 滾降斜率通常用dB度量來表示頻率的衰減程度 一般情況下，濾波器的設(shè)計就是把這一衰減區(qū)域做的盡可能的窄，以

17、便該濾波器能最大限度接近完美。通帶的設(shè)計與帶通濾波器的中心頻率和帶寬 BW 之間的關(guān)系為： （2-1） （2-2）2.1.4.3帶通濾波器的設(shè)計 帶通濾波器的電路形式有很多，這里以有源帶通濾波器電路為例，如下圖：圖2.6帶通濾波器此多環(huán)有源帶通濾波器的特性參數(shù)如下 （2-3） （2-4） （2-5）設(shè)定參數(shù)。 將參數(shù)帶入下列計算式 得 帶入（2-1）（2-2）式：得2.1.5解調(diào)電路選用全波精密檢波電路取,在不加電容C時，的輸出為 圖2.7全波精密檢波電路2.2 輸入電路主要作用：獲得偏差信號，并以10V 為參考點進行電平遷移。圖2.8輸入電路分析：如圖2.8 所示，設(shè)A1 為理想放大器，即輸

18、入阻抗無窮大，輸出阻抗為零。給定信號與測量信號分別通過兩對并聯(lián)的輸入電阻R 加到A1 的正、反相輸入端，其輸出是以10V 為基準(zhǔn)的電壓信號Vo1，它一方面作為微分電路的輸入端，另一方面則取出Vo1/2 通過反饋電阻R 反饋至A1 的反相輸入端。根據(jù)基爾霍夫定律，可以很方便地推倒出如下式子：則有：可以看出，輸入電路不但實現(xiàn)了偏差放大，而且實現(xiàn)了電平移動。2.2.1 反相比例電路由運放組成的反相輸入比例放大電路如圖2.1所示。圖2.9 反相比例放大電路在理想條件下，該電路的主要閉環(huán)特性如表2.1所示。在表中1利用上表可計算出運算誤差。表2.1說明，由運放組成的反相輸入比例放大電路具有如下重要特性：

19、(1)在深度負(fù)反饋情況下工作時，電路的放大倍數(shù)僅有外接電阻R1、R2的值確定。(2)因同相端接地，則反相電位為“虛地”，因此，對前級信號源而言，負(fù)載不是運放本身的輸入電阻，而是電路的閉環(huán)輸入電阻R1。(3)運放的輸出電阻也由于深度負(fù)反饋而大為減小。由于R1=R2這一特點，反相比例放大器只宜用于信號源對負(fù)載電阻要求不高的場合（小于500k）。表2.1反相比例放大電路特性主要閉環(huán)特性理想運放實際運放閉環(huán)增益輸入電阻輸出電阻在設(shè)計反相比例放大電路時，要從多種因素來選擇運放參數(shù)。PID調(diào)節(jié)電路的輸入輸出要求為：輸入15V的電壓信號，輸出520mA的電流。由于運算放大器的工作電壓為±15V，因

20、此比例放大的增益不能超過3，R2與R1的比值也就不能超過3。2.3比例微分電路主要作用：以電平為基準(zhǔn)的偏差信號，通過電路進行比例微分運算，再經(jīng)比放大后，其輸出信號 送給比例積分電路。分析：用運算法對電路進行分析。由于分壓電阻（9.1k 和1k）比RD 小得多，計算時可只考慮其分壓比（n）而不考慮其輸出阻抗。圖2.10比例微分電路這樣，對運放同相輸入端，有：上式中Id 是電容CD 的充電電流 代入上式得：對于運放的反相輸入端有： 認(rèn)為運放為理想運放，則： 令（微分增益）；（微分時間）則：2.4比例積分電路比例積分調(diào)節(jié)（PI調(diào)節(jié)）分析：用運算法對電路進行分析。由于分壓電阻（9.1k 和1k）比小得

21、多，計算時可只考慮其分壓比（m）而不考慮其輸出阻抗。這樣，對運放反相輸入端，有：設(shè)K為運放的開環(huán)增益，則：由于，上式可化簡為：設(shè)為積分增益； 為積分時間，則：2.5 輸出電路 主要作用： 將PID運算后的以10V為基準(zhǔn)的15VDC信號轉(zhuǎn)換為以電源地為基準(zhǔn)的420mADC電流信號，并保持恒流特性。圖中元件參數(shù)滿足 圖2.11輸出電路分析：按理想運放分析，同相輸入端電壓為： （2-6）分析反相輸入端，有： （2-7）令(2-6)(2-7)兩式相等， 得。從電路圖上可得。則有：令 則當(dāng) 時， 輸出電流根據(jù)以上分析，PID 的傳遞函數(shù)可以表示為：第三章仿真電路圖及其性能影響因素3.1比例環(huán)節(jié)對控制性能

22、的影響比例增益能及時地反映控制系統(tǒng)的偏差信號，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例環(huán)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢變化。當(dāng)比例增益越大，PID 控制器調(diào)節(jié)速度越快。但不能太大，過大的比例增益會加大調(diào)節(jié)過程的超調(diào)量，從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至可能造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。3.2積分環(huán)節(jié)對控制性能的影響積分環(huán)節(jié)可以消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度，以保證實現(xiàn)對設(shè)定值的無靜差跟蹤。假設(shè)系統(tǒng)己經(jīng)達(dá)到閉環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)且僅當(dāng)e (t ) = 0時，控制器的輸出才為常數(shù)。由此可見，只要被控系統(tǒng)存在動態(tài)誤差，積分環(huán)節(jié)就產(chǎn)生作用。直到系統(tǒng)無差時，積分環(huán)節(jié)的輸出為一個常值，積分作用停止。積分作用的強弱取決于積分時間

23、常數(shù)的大小，越小，積分作用越強，反之則積分作用弱。積分作用的引入會使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動態(tài)響應(yīng)變慢。在實際過程中，尤其對大滯后、慢時變對象，積分作用對超調(diào)量的貢獻是很重要的。3.3微分環(huán)節(jié)對控制性能的影響微分環(huán)節(jié)的引入，主要是為了改善控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。微分作用反映的是系統(tǒng)偏差的變化律，它可以預(yù)見偏差變化的趨勢，具有超前的控制作用。換言之，微分作用能在偏差還沒有形成之前，就將其消除。因此，微分作用可以改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。微分作用反映的是變化率，當(dāng)偏差沒有變化時，微分環(huán)節(jié)的輸出為零。微分作用的強弱取決于微分時間的大小， 越大，微分作用越強，反之則越弱。在微分作用合適的情況下，系統(tǒng)的超調(diào)量和

24、調(diào)節(jié)時間可以被有效的減小。微分作用對噪聲干擾有放大作用，所以我們不能過強地增加微分調(diào)節(jié)，否則會對控制系統(tǒng)抗干擾產(chǎn)生不利的影響。當(dāng)然，PID 調(diào)節(jié)電路也存在一定的局限性。常規(guī)PID 控制是建立在知道被控對象精確的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上，只要調(diào)試整定好PID控制器參數(shù)后，便可投入生產(chǎn)運行，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性能好、可靠性高、其控制原理與控制技術(shù)己完善成熟，且為現(xiàn)場工作人員和設(shè)計工程師們所熟悉等優(yōu)點，但在實際工業(yè)過程控制中卻存在這樣的情況:（1）許多被控過程機理較復(fù)雜，具有非線性、慢時變、純滯后等特點，這樣就很難得到確切的描述這些過程的傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程。（2）在噪聲、負(fù)載擾動和其他一些環(huán)境條件變化的影響下，過程參數(shù)會發(fā)生變化。采用常規(guī)PID 控制器，以一組固定不變的PID 參數(shù)去適應(yīng)參數(shù)變化、干擾等眾多的變化因素，顯然難以獲得滿意的控制效果。當(dāng)參數(shù)變化超過一定的范圍時，系統(tǒng)性能就會明顯變差，致使PID 控制難以發(fā)揮作用而無法適用。結(jié)論本文對 PID 調(diào)節(jié)器各硬件電路的分