PID控制算法在傳感器電路中的應(yīng)用

1、PID控制算法PID（比例一積分一微分）控制器，廣泛應(yīng)用丁傳感器和工業(yè)控制中 的一種傳統(tǒng)表示式為：OUTPUT（i）=PDT）+ :間 >i+DE（t）（1）I"at式中：t 一時間；E一控制過程變量，E通常是跟蹤誤差，等丁傳感器實際測 量值減設(shè)置點值；P一比例增量；I一積分增量的反商；D一微分增量。參量P、I和D是特定應(yīng)用中控制器的可調(diào)設(shè)置?？刂破饔每刂乒ぷ?OUTPUT ,定標(biāo)之后并經(jīng)調(diào)節(jié)控制器（例如開關(guān)）迫使控制過程接通和穩(wěn)定在設(shè)置 點（即E=0）。方程（1）右邊第一項代表P模式或P操作，這是表示控制環(huán)路速度和穩(wěn)定性 的基本模式。有時單獨實現(xiàn) P模式。意想不到的P模式原來

2、是誤差白分比，P 模式可保證過程將穩(wěn)定在設(shè)置點。 事實上，實際的P模式控制器就穩(wěn)定在不是設(shè) 置點的地方（即E冬0）。下面簡化的P模式模型可以說明此疑題：OUTPUT（t）=PE（t） = P（M-SETPOINT ）=PCOUTPUT（ t）-SET POINT （2）在這里我們假定傳感器的測量 M正比丁控制工作OUTPUT。假定定標(biāo)因數(shù) C是1并達到OUTPUT=SET POINT ，丁是無限增益 P包含在方程 中是與 事實不符的。所以，P模式不可能完全消除誤差。為了克服上面所討論的P模式局限性，所以，把方程（1）中第2項積分I模 式引入計算中。此積分表示在規(guī)定時間標(biāo)定內(nèi)所有上述誤差，它等丁

3、稍微改變的設(shè)置點，所以，控制器完全可消除誤差。雖然 I模式能平均噪聲，但往往會積聚 慢變化的誤差。雖然現(xiàn)在的誤差為零，但控制器力圖修正過去的誤差，調(diào)整過程 偏離設(shè)置點并導(dǎo)致控制不穩(wěn)定。這種行為特別可能發(fā)生在慢速控制系統(tǒng)中，在這 種情況下，必須組合P模式來獲得控制穩(wěn)定性。方程1中的第3項D模式用于加速控制運算以及防止過反應(yīng)。 D模式只在 過程正在迅速變化時起作用。若有突然十?dāng)_使過程偏離設(shè)置點，則D模式在控制工作范圍內(nèi)立即產(chǎn)生1個小的響應(yīng)來快速降低過程誤差。另外，若逼近設(shè)置 點的速率太快，則D模式將減速過程以避免控制過沖。數(shù)字上，D模式中的微分在控制工作中增加超前時間， 有效地補償P和I模式中的延

4、遲。然而，濫用D 模式可能導(dǎo)致過程不穩(wěn)定，這是因為快速瞬態(tài)信號噪聲可能在D模式中產(chǎn)生大的信號尖峰并導(dǎo)致控制過反應(yīng)。 這可能是快速系統(tǒng)中的一個問題。 所以，D模式 應(yīng)限制只用于初始和前端誤差校正，然后轉(zhuǎn)交控制到P和I模式。雖然流行的pid控制大多數(shù)與數(shù)字微處理器（mP）有關(guān)，但基本原理適用于 傳感器。例如，借助于軟件或硬件（或兩者組合）的pid控制在前置P信號條理 中采用P模式。這通常涉及到用放大器和濾波器來提高 P的ADC端口中的 SNR。I模式應(yīng)用可簡單地解一組取樣的均方根、平均或標(biāo)準(zhǔn)偏差。D模式只不過求出經(jīng)過時間的信號斜率。為了得到最佳性能，任何控制操作必須基于從所有 3個模式得到盡可能多

5、的信息。圖1此模擬電路根據(jù)方程3計算P】D控制響應(yīng)"傳感信號經(jīng)IC1放大（P模式）、IC2積分（I模式）、IC3微分D模式）并經(jīng)IC4求和所有3個模式后得到控制晌應(yīng)V0UT方程1不僅僅可以直接適用丁大多數(shù)格式的軟件，而且也可以用模擬電路實現(xiàn)（見圖1）。用通用運放IC1、IC2、IC3和IC4分別做為調(diào)整放大器、積分 器、微分器和求和放大器，這些都是典型的配置。傳感器檢測的過程變量是電壓 V1N和電路控制響應(yīng)電壓 VOUT ,它們的關(guān)系為：V"(t)二粒如(t)KjC |Jdt盡管PID控制技術(shù)有不少的格式，但把它的基本原理應(yīng)用在 傳感器電路中是相當(dāng)實用和靈活的（見圖2）。來

6、自傳感器電路中的過程變量是INPUT ,此變量導(dǎo)致的控制如同Vout-D。IC6用做跨導(dǎo)放大器，與傳感器接口。IC5在IC6之后 構(gòu)成一個有源帶通濾波器。運放IC7、IC8和IC9構(gòu)成緩沖器以避免負載效應(yīng)。IC10是電壓比較器。IC11、IC12和IC13是常復(fù)位的D型觸發(fā)器。圖2跨導(dǎo)放大器IC6變換和放大傳感器信號輸入P模式' 根據(jù)信號1C9產(chǎn)生動態(tài)沒置點基準(zhǔn),比 較器IC101K用于快速捂號寰降（D模式）.1011. fC!2. IC13和IC14求和1C10的輸出0模式）得到控制作用VoyTrQU為了減少1C6中的噪南干擾.此電路應(yīng)該分開模擬地和造1地。圖3示出此電路的SPICE

7、仿真。首先，跨導(dǎo)放大器IC6必須是低噪聲并且 有合適的AC響應(yīng)，此響應(yīng)由與IC5有關(guān)的電阻器和電容器調(diào)諧。在這種情況 下，IC6選擇10KHz載波帶通和放大，抑制來自環(huán)境干擾的其他頻率和DC偏移。編碼過程變量為INPUT，做為載波調(diào)幅（AM）。放大（P模式）過程變量INPUT , 經(jīng)IC6變換到AM電壓信號VP,經(jīng)C5/D1電平變換，然后由D0/C6峰值檢 測得到SIGNAL。SIGNAL是AM信號INPUT的包絡(luò)。CLOCK's1：.£UJQ=：VT|*Wa) I1.0 in3.9 mT1r» E4 陽fMrMflE.G m7JXOJJQT ：¥!(/A

8、C FT REHCE') 1JJ "11.0 ：£ 6,JO 71jOJ t (JI kT('iWk.U$')S s.tkj t1 1,.Rh f| ,1 j'J l J 4 J I10 mr-VTIVovr；-i圖3圖2信號的SPICE仿真圖c最下面的圖是傳感§§信號的電流形式.其余為電壓信號形式°IC10對SIGNAL和REFERENCE進行比較。注意由 R5/C4濾波的 SIGNAL本身產(chǎn)生REFERENCE。雖然，SIGNAL慢速變化，但電路保證 REFERENCE=SIGNAL-0.7V（ 因為 D2

9、的原因），所以 VOUT-A=HIGH 時， IC10可以檢測信號。此特性為傳感器提供大信號動態(tài)范圍，這可抑制由丁硬件 老化或環(huán)境背景變化引起的任何慢速信號變化。只有在SIGNAL的衰降率大丁時間常數(shù)R5X C4（D模式）或SIGNAL幅度小丁噪聲電平（P模式）時，在 VOUT-A=LOW 情況下IC10將告知零。IC11、IC12和IC13相繼取樣和鎖存比較器輸出。 只有在所有三個觸發(fā)器 鎖存在其Q0是HLGH時，電路控制作用 VOUT-D在NOR門IC14處通過邏 輯累加（CI模式）將變?yōu)镠IGH。其他情況下，控制作用為零。電壓分壓器R6/R7在零信號條件下提供必須的 REFERENCE補

10、償。 注意在 不同電路節(jié)點的R3、R4、R5和信號極性對每個應(yīng)用要求可能是不同的。最后,電路的控制工作VOUT-D可用丁帶ON/OFE型開關(guān)的閉環(huán)控制或繼電器失效一 安全應(yīng)用中的開環(huán)控制。京湘）用可編程模擬器件實現(xiàn)直流伺服電機的速度控制作者姓名：康磊作者單位：西安石油學(xué)院計算機系 所屬雜志：現(xiàn)代電子技術(shù)雜志 所屬期號：2005第2期摘 要：介紹了可編程模擬器件在模擬調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用，結(jié)合一個具體實例，給出了如何 用ispPAC10實現(xiàn)直流伺服電機的速度調(diào)節(jié)器。關(guān)鍵詞：可編程模擬器件；ispPACIO ; PI調(diào)節(jié)器；直流伺服電機 1引言直流伺服電機具有響應(yīng)快、低速平穩(wěn)性好、調(diào)速范圍寬等特點，因

11、而常常用于實現(xiàn)精密調(diào)速和位置控制的隨動系統(tǒng)中， 在工業(yè)、國防和民用等領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，特別是在火炮穩(wěn)定系統(tǒng)、艦載平臺、雷達天線、機器人控制等場合。盡管交流伺服電機的發(fā)展相當(dāng)迅速，但在這些領(lǐng)域內(nèi)還難以取代直流伺服電機。傳統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)包含 2個反饋環(huán)路，即速度環(huán)和電流環(huán)，采用測速機、電流傳感器（霍爾器件）及模擬電子線路實現(xiàn)速度的閉環(huán)控制?，F(xiàn)代數(shù)字直流伺服控制則采用高速數(shù)字信號處理器（DSP）,直接對速度和電流信號進行采樣，通過軟件實現(xiàn)數(shù)字比較、數(shù)字調(diào)節(jié)運算（數(shù)字濾波）、數(shù)字脈寬調(diào)制等各種功能，從而實現(xiàn)對速度的精確控制。二者 相比，模擬調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高，但調(diào)試較復(fù)雜，因為其電

12、路參數(shù)的修改往往 需要硬件上的改動； 而數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，但是調(diào)速精度很高、 調(diào)試過程也較容易，調(diào)速系統(tǒng)的性能可以由軟件進行控制。本文介紹一種方法， 介于模擬調(diào)速及數(shù)字調(diào)速二者之間，即采用可編程模擬器件 （ispPACIO ）實現(xiàn)模擬調(diào)速系統(tǒng)， 系統(tǒng)的電路參數(shù)可以通過軟件進行調(diào)整，并且可以對建立的系統(tǒng)模型進行仿真。采用這種方法對原有的直流調(diào)速器一種CCD相機的自動變焦系統(tǒng)進行改進，取得了很好的效果。2模擬直流調(diào)速系統(tǒng)的組成和工作原理模擬調(diào)速系統(tǒng)一般是由 2個閉環(huán)構(gòu)成的，既速度閉環(huán)和電流閉環(huán)，為使二者能夠相互協(xié)調(diào)、發(fā)揮作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了2個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。2個反饋閉環(huán)在

13、結(jié)構(gòu)上采用一環(huán)套一環(huán)的嵌套結(jié)構(gòu)，這就是所謂的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，他具有動態(tài)響應(yīng)快、抗干擾能力強等優(yōu)點，因而得到廣泛地應(yīng)用。圖1是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，其中 ASR ACR分別是速度和電流調(diào)節(jié)器，通常是由模擬運放構(gòu)成 PI或PID電路；信號調(diào)理主要是對反饋信號進行濾波、放大?？紤]到直流電 機的數(shù)學(xué)模型，模擬調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)傳遞函數(shù)關(guān)系如圖2所示。以速度調(diào)節(jié)器 ASR為例，其線路原理如圖3 (a)所示，其中Zin (S)表示輸入網(wǎng)絡(luò)的復(fù)數(shù)阻抗，Zf (S)表示反饋網(wǎng)絡(luò)的復(fù)數(shù)阻抗這樣:1 i nlGate防盜鏈系統(tǒng)請不要盜鏈即調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)等于反饋網(wǎng)絡(luò)與輸入網(wǎng)絡(luò)復(fù)數(shù)阻抗之比。所以，改變Zf ( S)和 Zin

14、( S),就可以獲得所需要的傳遞函數(shù)，以滿足系統(tǒng)動態(tài)校正的需要。圖3 (b)所示的PI調(diào)節(jié)器，其動態(tài)結(jié)構(gòu)如圖4所示。W.e * h閏1 PI調(diào)竹器動態(tài)結(jié)梅其中:在模擬調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試過程中,因電機的參數(shù)或負載的機械特性與理論值有較大差異,往往需要頻繁更換R, C等元件來改變電路參數(shù),以獲得預(yù)期的動態(tài)性能指標(biāo)，這樣做起來非常麻煩,如果采用可編程模擬器件構(gòu)成調(diào)節(jié)器電路,系統(tǒng)參數(shù)如增益、帶寬甚至電路結(jié)構(gòu)都可以通過軟件進行修改，調(diào)試起來就非常方便了。下面以圖3所示PI調(diào)節(jié)器為例，說明如何應(yīng)用可編程模擬器件一ispQAC10實現(xiàn)模擬調(diào)節(jié)器電路。3 實現(xiàn)方法3 . 1 ispPAC10 簡介2ispPAC1

15、0是Lattice公司生廣的一種在系統(tǒng)可編程模擬器件，米用非易失性E CMOST藝，其內(nèi)部的模擬部件塊" PACblocks”無需外接電阻、電容等元件，便可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬電路，如 運算放大器、濾波器等；通過軟件編程，可實現(xiàn)電路的設(shè)計和修改，極大地縮短了開發(fā)、調(diào)試周期，具有很高的性能價格比。 Lattice 公司為開發(fā)ispPAC10而提供的集成軟件包 PACDesigner 功能強大、易學(xué)易用，可以在網(wǎng)上下載。ispPAC10內(nèi)部包含4個模擬部件塊一內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 5所示。Can Pi hu ra t. janBew > i yTESTItST vrermuCME-iHj*ara

16、-ulTl*圖5內(nèi)部靖枸圖PACblock電路原理圖如圖 6 (a)所示，圖6 (b)是PAC-Designer軟件包中PACblock的表示。其傳遞函數(shù)關(guān)系如下:其中而=1，一隊，10. 1 pF<Cr<100 pF, gJT阡為固定值"A/W 但陽3可編程為A(a) PACblocltKi理幡圖(b) 4 PAf-Degignwr 中的任示PAChh，4模塊京扉框圈這樣，式（3）還可以寫成如下形式:1 2/f-=。時,式（4）變成：y 加匕坦咋?通過式（4）、式（5）以及圖6 （b）,可以看出 PACblock模塊具有比例、求和、積分、濾波等基本運算功能，而1片isp

17、PAC10包含4個PACblock模塊，每個模塊都有 2組差動輸入、1路差動輸出。將這4部分適當(dāng)?shù)剡B接，便可形成較復(fù)雜的模擬電路。3 . 2 ispPACI0實現(xiàn)調(diào)節(jié)器電路以圖(3)所小具體電路為例，設(shè) R= 10 k Q, C0 = 0. 15 i F, R = 40 k Q, G = 0. 5 p, F,其傳遞函數(shù)如圖7所示。為了用ispPAC10實現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)，需將其變成圖8所示的形式圖7 節(jié)暮電路的傳逐函數(shù)t*!8 節(jié)葛電路傳速函數(shù)的另一種表示圖9 MJispPAClO實鍬Pl調(diào)我器現(xiàn)在可以用ispPAC10直接實現(xiàn)上述調(diào)節(jié)器，具體電路如圖 9所示，其中運放的增益、電容的取值是通過軟件 PAC-Designer設(shè)定的。4 結(jié)語用可編程模擬器件可以很方便地設(shè)計、實現(xiàn)模擬電路。用他設(shè)計