模擬PID-調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)及數(shù)字化實(shí)現(xiàn)(共3頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上模擬PID 調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)及數(shù)字化實(shí)現(xiàn) 摘要：本文首先對(duì)現(xiàn)代工控系統(tǒng)中比較常用的PID 調(diào)節(jié)器原理作了詳細(xì)的闡述，然后對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了硬件電路的設(shè)計(jì)，并通過(guò)MATLAB、EWB 等EDA 軟件對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)及整個(gè)調(diào)節(jié)電路進(jìn)行了驗(yàn)證 摘要：本文首先對(duì)現(xiàn)代工控系統(tǒng)中比較常用的PID 調(diào)節(jié)器原理作了詳細(xì)的闡述，然后對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了硬件電路的設(shè)計(jì)，并通過(guò)MATLAB、EWB 等EDA 軟件對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)及整個(gè)調(diào)節(jié)電路進(jìn)行了驗(yàn)證仿真。通過(guò)分析，得出了PID 調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)及缺陷。最后，對(duì)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)PID 調(diào)節(jié)器的工作過(guò)程進(jìn)行了概述。關(guān)鍵詞： PID；硬件設(shè)計(jì)；數(shù)字實(shí)現(xiàn)；EDA 仿真引言隨著工

2、業(yè)自動(dòng)化的不斷發(fā)展，人們對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程的要求越來(lái)越高，這就促使人們?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐中不斷探求新的控制方案。而在控制方案的選擇中，控制規(guī)律的選擇尤為重要?？刂埔?guī)律的恰當(dāng)與否將直接決定生產(chǎn)線的安全、產(chǎn)品的質(zhì)量以及生產(chǎn)的效率等。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前在各種工業(yè)控制中，PID 調(diào)節(jié)或基于PID 調(diào)節(jié)的控制方式占90%。調(diào)節(jié)規(guī)律作為應(yīng)用時(shí)間最長(zhǎng)、生命力最強(qiáng)的控制方式，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）原理簡(jiǎn)單，使用方便（2）適應(yīng)性強(qiáng)（3）魯棒性強(qiáng)。既然PID 調(diào)節(jié)在工業(yè)控制中的地位如此重要，那么，PID 的設(shè)計(jì)問(wèn)題就顯得頗為重要了。硬件電路設(shè)計(jì)方案控制器是一種線性控制器。它根據(jù)給定值x (t )與實(shí)際輸出值y (t )構(gòu)成控制

3、偏差e(t)，即表示e(t) = x (t) ? y (t)。將偏差的比例、積分和微分通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PID 控制器。其控制規(guī)律為模擬PID 調(diào)節(jié)器主要由三個(gè)部分組成，即P 調(diào)節(jié)、I 調(diào)節(jié)、D 調(diào)節(jié)，當(dāng)然，作為工業(yè)應(yīng)用，還必須有輸入、輸出電路，手動(dòng)調(diào)節(jié)電路，下面給出各部分電路的硬件設(shè)計(jì)方案。輸入電路主要作用：獲得偏差信號(hào)，并以VB10V 為參考點(diǎn)進(jìn)行電平遷移。分析：如圖2 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

4、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：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)。比例微分電路主要作用：以VB 電平為基準(zhǔn)的偏差信號(hào)V01，通過(guò)電路進(jìn)行比例微分運(yùn)算，再經(jīng)比例放大后，其輸出信號(hào)V02 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。這樣，對(duì)運(yùn)放同相輸入端，有上式中Id 是電容CD 的充電電流令n=Kd（微分增益）；nRDCD=Td（微分時(shí)間）則：比例積分電路主要作用：接收比例微分

5、電路輸出信號(hào)V02，進(jìn)行PI 運(yùn)算，輸出以VB 為基準(zhǔn)的1信號(hào)V03 給輸出電路。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RI 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，手動(dòng)操作電路手動(dòng)操作電路是在PI 電路中附加軟手動(dòng)操作電路和硬手動(dòng)操作電路而成。軟手動(dòng)操作，是指調(diào)節(jié)器的輸出電流與手動(dòng)輸入電壓信號(hào)成積分關(guān)系；硬手動(dòng)操作，是指調(diào)節(jié)器的輸出電流與手動(dòng)輸入電壓信號(hào)成比例關(guān)系。在軟手動(dòng)時(shí)，軟手動(dòng)開(kāi)關(guān)均處于開(kāi)路狀態(tài)，調(diào)節(jié)器輸出電流不變，則為保持狀態(tài)1。 仿真分析結(jié)合仿真圖，可以得出PID 各環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)的影響如下：（1）比例環(huán)節(jié)對(duì)

6、控制性能的影響比例增益Kp 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Kp 越大，PID 控制器調(diào)節(jié)速度越快。但Kp 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(jiàn)，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)的輸出為一個(gè)常值，積分作用停止。積

7、分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)i T 的大小， i T 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(jiàn)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d T 的大小， d T 越大，微分

8、作用越強(qiáng)，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)試整定好控制器參數(shù)p K ， i K ， d K 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)程控制中確存在這樣的情況（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

9、的描述這些過(guò)程的傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程。（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。數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器在直接數(shù)字控制系統(tǒng)中，PID 控制器是通過(guò)PID 控制算法程序?qū)崿F(xiàn)的。進(jìn)入的連續(xù)時(shí)間信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)采樣和量化后，變成數(shù)字量，才能進(jìn)入的存儲(chǔ)器和寄存器，而在數(shù)字中的計(jì)算和處理，不論是積分還是微分，只能用數(shù)值計(jì)算去逼近?？刂埔?guī)律在中的實(shí)現(xiàn)，也是用數(shù)值逼近的方法。當(dāng)采

10、樣周期T 足夠短時(shí)，用求和代替積分，用差商代替微商，使PID 算法離散化，即可作如下近似變換 = 式中T采樣周期。將描述連續(xù)PID 算法的微分方程，變?yōu)槊枋鲭x散時(shí)間PID 算法的差分，為書(shū)寫(xiě)方便，將e(kT )簡(jiǎn)化表示成e(k )，即為數(shù)字PID 位置型控制算法,如式所示式中k-采樣序號(hào)，k=0, 1, 2,； u (k ) -第k 次采樣時(shí)刻的輸出值； e(k ) -第k 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；第(k-1)次采樣時(shí)刻輸入的偏差值； i K -積分系數(shù)，；微分系數(shù)， d pd K = K T T 。即為增量式PID控制算法，由第1次采計(jì)算得到的控制量輸出增量?？梢钥闯?，由于一般控制系統(tǒng)采用恒定的采樣周期T，一旦確定了只要使用前3 次的測(cè)量值偏差，即可求出控制量的增量。同時(shí)可以看出比例、積分、微分三個(gè)環(huán)節(jié)在控制器中的明確物理意義。根據(jù)工程指標(biāo)，可以很容易地掌握PID 參數(shù)整定方法，獲得較好的控制效果。結(jié)論本文對(duì) PID 調(diào)節(jié)器各硬件電路的分析，通過(guò)仿真，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)（3）魯棒性強(qiáng)。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 控制