模擬PID調(diào)節(jié)器電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、 課程設(shè)計(jì) 測(cè)控電路 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名宋鵬專業(yè)班級(jí)測(cè)控1001班學(xué)號(hào)201048770116 題 目模擬PID調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì)課題性質(zhì)工程設(shè)計(jì)課題來(lái)源參考書指導(dǎo)教師劉建娟主要內(nèi)容（參數(shù)）參考期刊、文獻(xiàn)等資料設(shè)計(jì)模擬PID調(diào)節(jié)器電路，包括以下內(nèi)容：（1）選擇合適的傳感器和放大電路；（2）設(shè)計(jì)調(diào)制和解調(diào)電路；（3）設(shè)計(jì)具有比例微分和比例積分功能的電路；（4）設(shè)計(jì)信號(hào)輸入和輸出電路；根據(jù)以上內(nèi)容要求來(lái)設(shè)計(jì)電路圖并具體分析電路圖的特性。任務(wù)要求（進(jìn)度）第1-2天 ： 確定課程設(shè)計(jì)題目，查閱相關(guān)技術(shù)資料；第3-6天 ： 確定設(shè)計(jì)內(nèi)容及方案，并按照確定的方案設(shè)計(jì)單元電路，對(duì)各單元電路進(jìn)行功能分析；第7

2、-8天 ： 進(jìn)一步修正方案并畫出電路圖；第9-10天 ： 撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告，將各部分內(nèi)容完整地呈現(xiàn)在報(bào)告中，并對(duì)本次課程設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)。主要參考資料1 張國(guó)雄. 測(cè)控電路. 機(jī)械工業(yè)出版社. 20112 鄧北川. 淺談模擬PID電路的學(xué)習(xí)與辨識(shí).西安航空技術(shù)高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào). 2007年第05期.3 劉康禮.李偉. 模擬PID調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)及數(shù)字化實(shí)現(xiàn).中國(guó)礦業(yè)大學(xué).20104 廖常初. PID參數(shù)的意義與整定方法.重慶大學(xué).2010年第05期審查意見系（教研室）主任簽字： 年 月 日 摘要：PID控制是最實(shí)用化的控制方式，它是一項(xiàng)流行的線性控制策略，它是對(duì)偏差信號(hào)e(t)進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算變

3、換后形成的一種控制規(guī)律，基本思想是“利用偏差、消除偏差”。 本次課程設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)了傳感器與測(cè)控電路中的相應(yīng)電路(包括調(diào)制解調(diào)電路、放大電路、細(xì)分電路等)。對(duì)PID調(diào)節(jié)器的輸入電路，比例積分電路，比例微分電路，輸出電路的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定，詳細(xì)介紹了各個(gè)電路對(duì)PID控制器性能影響。關(guān)鍵字：PID控制器；比例；微分；調(diào)制解調(diào)一、 引言PID是Proportional-Integral-Derivational的縮寫，分別指比例、積分、微分。在工業(yè)過(guò)程控制的發(fā)展史上，PID控制是歷史上最悠久、生命力最強(qiáng)的控制方式，也是迄今最通用的控制方法。PID控制以其簡(jiǎn)單清晰的結(jié)構(gòu)、良好的魯棒性和廣泛的適用范圍, 深

4、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(guó)家，采用高級(jí)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。在本次課程設(shè)計(jì)中主要設(shè)計(jì)了傳感器與測(cè)控電路中的相應(yīng)電路(包括調(diào)制解調(diào)電路、放大電路、細(xì)分電路等)。對(duì)PID調(diào)節(jié)器的輸入電路，比例積分電路，比例微分電路，輸出電路的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)定，詳細(xì)介紹了各個(gè)電路對(duì)PID控制器性能影響。PID 控制器在長(zhǎng)期應(yīng)用中已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，然而, PID控制器能否得到有效的發(fā)揮,一方面與PID控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guò)程控制中，當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得

5、不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以應(yīng)用時(shí)，系統(tǒng)控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)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(duì)被控對(duì)象動(dòng)、穩(wěn)態(tài)性能要求越來(lái)越高，使得常規(guī)PID控制器不能滿足要求，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)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(shì)已是明顯的事實(shí)。二、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程：1、設(shè)計(jì)流程圖對(duì)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(jí)的差模電壓信號(hào)。因?yàn)閭鞲衅鬏敵龅男盘?hào)很小，所以得進(jìn)行放大。因?yàn)榉糯蟮男盘?hào)除測(cè)量信號(hào)外，還往往有各種噪聲，為了便于區(qū)別信號(hào)與噪聲，往往給測(cè)量信號(hào)賦予一定的特征，這就需要調(diào)制電路。帶通濾波器

6、是一個(gè)允許特定頻段的波通過(guò)，可以濾去高頻信號(hào)和低頻信號(hào)。將濾出的信號(hào)輸入解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)，從而得到需要的信號(hào)。然后將信號(hào)輸入PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)電路，分別經(jīng)過(guò)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(hào)，將其反饋到輸入電路，與給定的信號(hào)進(jìn)行比較，使得偏差盡可能的小。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1模擬PID調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)流程圖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(jí)的電壓信號(hào)，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(bǔ)償特性克

7、服了半導(dǎo)體壓力敏感器件存在溫度漂移問(wèn)題，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。MPX2100是一種壓阻式壓力傳感器，在硅基片上用擴(kuò)散工藝制成 4個(gè)電阻阻值相等的應(yīng)變?cè)?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所示.圖2采用恒壓源控制的原理圖當(dāng)壓力傳感器受到壓力作用時(shí)，一對(duì)橋臂的電阻值增大R，另一對(duì)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3傳感器輸出電壓與輸入壓力關(guān)系1.2 放大電路的選擇1.定義：在測(cè)量控制系統(tǒng)中，用來(lái)放大傳感器輸出的微弱電壓、電流或電荷信號(hào)的電路稱為測(cè)量放大電路。2.

8、測(cè)量放大電路的選擇測(cè)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(guò)電橋轉(zhuǎn)換電路輸出信號(hào)，并且用差動(dòng)放大器進(jìn)一步放大，因此電橋放大電路就是其測(cè)量放大電路。差動(dòng)放大電路是把兩個(gè)輸入信號(hào)分別輸入到運(yùn)算放大器的同相和反相輸入端，然后在輸出兩個(gè)信號(hào)的差模信號(hào)，而盡量抑制兩個(gè)信號(hào)的共模成分的電路。采用差動(dòng)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4 基本差動(dòng)放大電路 1.3調(diào)制電路的選擇選用開關(guān)電路進(jìn)行調(diào)制，在輸入端加入調(diào)制信號(hào)， 是兩個(gè)場(chǎng)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(hào)。當(dāng)為高電平、為低電平時(shí)，V1導(dǎo)通、V2截止。

9、若V1、V2為理想開關(guān)，輸出電壓。當(dāng)為低電平、為高電平時(shí)，V1截止、V2導(dǎo)通，輸出為零。經(jīng)過(guò)調(diào)制與幅值按0、1變化的載波信號(hào)相乘。歸一化的方波正弦載波信號(hào)按傅里葉級(jí)數(shù)展開后可寫 圖5開關(guān)調(diào)制電路 1.4 帶通濾波器1.定義： 帶通濾波器是一個(gè)允許特定頻段的波通過(guò)同時(shí)屏蔽其他頻段的設(shè)備。2.工作原理：帶通濾波器是一個(gè)允許特定頻段的波通過(guò)同時(shí)屏蔽其他頻段的設(shè)備，比如RLC振蕩回路就是一個(gè)模擬帶通濾波器。一個(gè)理想的帶通濾波器應(yīng)該有平穩(wěn)的通帶（bandpass，允許通過(guò)的頻帶），同時(shí)限制所有通帶外頻率的波通過(guò)。但是實(shí)際上，沒(méi)有真正意義的理想帶通濾波器 真實(shí)的濾波器無(wú)法完全過(guò)濾掉所設(shè)計(jì)的通帶之外的頻率信

10、號(hào)，在理想通帶邊界有一部分頻率衰減的區(qū)域，不能完全過(guò)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(lái)表示頻率的衰減程度 一般情況下，濾波器的設(shè)計(jì)就是把這一衰減區(qū)域做的盡可能的窄，以便該濾波器能最大限度接近完美。通帶的設(shè)計(jì)與帶通濾波器的中心頻率和帶寬 BW 之間的關(guān)系為： （1） （2） 3.帶通濾波器的設(shè)計(jì)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 （3） （4） （5）設(shè)參數(shù)。將參數(shù)帶入下列計(jì)算式 得 帶入（1）（2）式：得 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(shí)，的輸出為圖7

11、全波精密檢波電路2、 輸入電路主要作用：獲得偏差信號(hào)，并以10V 為參考點(diǎn)進(jìn)行電平遷移。圖8 輸入電路分析：如圖8 所示，設(shè)A1 為理想放大器，即輸入阻抗無(wú)窮大，輸出阻抗為零。給定信號(hào)與測(cè)量信號(hào)分別通過(guò)兩對(duì)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(hào)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(guò)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(shí)現(xiàn)了偏差放大，而且實(shí)現(xiàn)了電平移動(dòng)。3、比例微分電路主要作用：以電平為基準(zhǔn)的偏差信號(hào)，通過(guò)電路進(jìn)行比例微分運(yùn)算，再經(jīng)比放大后，其輸出信

12、號(hào) 送給比例積分電路。分析：用運(yùn)算法對(duì)電路進(jìn)行分析。由于分壓電阻（9.1k 和1k）比RD 小得多，計(jì)算時(shí)可只考慮其分壓比（n）而不考慮其輸出阻抗。圖9 比例微分電路這樣，對(duì)運(yùn)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(duì)于運(yùn)放的反相輸入端有： 認(rèn)為運(yùn)放為理想運(yùn)放，則： 令（微分增益）；（微分時(shí)間）則：4、比例積分電路主要作用：接收比例微分電路輸出信號(hào)，進(jìn)行PI 運(yùn)算，輸出以為基準(zhǔn)的15V信號(hào)給輸出電路。 圖10 比例積分電路分析：用運(yùn)算法對(duì)電路進(jìn)行分析。由于分壓電阻（9.1k 和1k）比小得多，計(jì)算時(shí)可只考慮其分壓比（m）而不考慮其輸出阻抗。這樣，對(duì)運(yùn)放反相輸入端，有：

13、設(shè)K為運(yùn)放的開環(huán)增益，則：由于，上式可化簡(jiǎn)為：設(shè)為積分增益； 為積分時(shí)間，則：5、 輸出電路 主要作用： 將PID運(yùn)算后的以10V為基準(zhǔn)的15VDC信號(hào)轉(zhuǎn)換為以電源地為基準(zhǔn)的420mADC電流信號(hào)，并保持恒流特性。圖中元件參數(shù)滿足 圖11 輸出電路分析：按理想運(yùn)放分析，同相輸入端電壓為： （6） 分析反相輸入端，有： （7） 令(6)(7)兩式相等， 得。從電路圖上可得。則有：令 則當(dāng) 時(shí)， 輸出電流根據(jù)以上分析，PID 的傳遞函數(shù)可以表示為：三、總電路分析如下圖所示，PID調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)電路是由輸入電路，比例微分電路，比例積分電路，執(zhí)行部件組成，通過(guò)上面的分析和公式我們可以得到各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)電路性能

14、的影響。 圖12 模擬PID調(diào)節(jié)器1、比例環(huán)節(jié)對(duì)控制性能的影響比例增益能及時(shí)地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，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(shì)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(guò)大的比例增益會(huì)加大調(diào)節(jié)過(guò)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。2、積分環(huán)節(jié)對(duì)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(wú)差度，以保證實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定值的無(wú)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(shí)，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(dòng)態(tài)誤差，積分環(huán)節(jié)就產(chǎn)生作用。直到系統(tǒng)無(wú)差時(shí)，積分環(huán)節(jié)的輸出

15、為一個(gè)常值，積分作用停止。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)的大小，越小，積分作用越強(qiáng)，反之則積分作用弱。積分作用的引入會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。在實(shí)際過(guò)程中，尤其對(duì)大滯后、慢時(shí)變對(duì)象，積分作用對(duì)超調(diào)量的貢獻(xiàn)是很重要的。3、微分環(huán)節(jié)對(duì)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(shì)，具有超前的控制作用。換言之，微分作用能在偏差還沒(méi)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(dòng)態(tài)性能。微分作用反映的是變化率，當(dāng)偏差沒(méi)有變化時(shí)，微分環(huán)節(jié)的輸出為零。微分作用的強(qiáng)弱取決于微分時(shí)間的大小， 越大，微分作用越強(qiáng)

16、，反之則越弱。在微分作用合適的情況下，系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間可以被有效的減小。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，所以我們不能過(guò)強(qiáng)地增加微分調(diào)節(jié)，否則會(huì)對(duì)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(duì)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(yùn)行，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǎng)工作人員和設(shè)計(jì)工程師們所熟悉等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際工業(yè)過(guò)程控制中卻存在這樣的情況:（1）許多被控過(guò)程機(jī)理較復(fù)雜，具有非線性、慢時(shí)變、純滯后等特點(diǎn)，這樣就很難得到確切的描述這些過(guò)程的傳遞函數(shù)或狀態(tài)方

17、程。（2）在噪聲、負(fù)載擾動(dòng)和其他一些環(huán)境條件變化的影響下，過(guò)程參數(shù)會(huì)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(guò)一定的范圍時(shí)，系統(tǒng)性能就會(huì)明顯變差，致使PID 控制難以發(fā)揮作用而無(wú)法適用。四、課程設(shè)計(jì)總結(jié)這次課程設(shè)計(jì)歷時(shí)兩周，從最開始的選題，查閱與題目相關(guān)的技術(shù)資料，到后來(lái)的分析電路，每一步都有很大的收獲，通過(guò)做這次課程設(shè)計(jì)，將電路中一些知識(shí)系統(tǒng)地綜合起來(lái)，將理論知識(shí)與實(shí)際的項(xiàng)目相結(jié)合，可以更好地理解測(cè)控電路。 通過(guò)對(duì) PID 調(diào)節(jié)器各硬件電路的分析，得出了PID 調(diào)節(jié)方式的優(yōu)點(diǎn)，即：（1）原理簡(jiǎn)單，使用方便（2）適應(yīng)性強(qiáng)等。作為在工業(yè)控制中最常用的控制方式，模擬PID 調(diào)節(jié)器具有強(qiáng)大的生命力，并逐漸發(fā)展出許多基于PID 的其它先進(jìn)的控制方式，例如: 模糊免疫PID