模擬PID調(diào)節(jié)器電路課程設計報告

1、 課程設計 測控電路 課程設計任務書學生姓名宋鵬專業(yè)班級測控1001班學號201048770116 題 目模擬PID調(diào)節(jié)器電路設計課題性質(zhì)工程設計課題來源參考書指導教師劉建娟主要內(nèi)容（參數(shù)）參考期刊、文獻等資料設計模擬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）設計調(diào)制和解調(diào)電路；（3）設計具有比例微分和比例積分功能的電路；（4）設計信號輸入和輸出電路；根據(jù)以上內(nèi)容要求來設計電路圖并具體分析電路圖的特性。任務要求（進度）第1-2天 ： 確定課程設計題目，查閱相關技術資料；第3-6天 ： 確定設計內(nèi)容及方案，并按照確定的方案設計單元電路，對各單元電路進行功能分析；第7

2、-8天 ： 進一步修正方案并畫出電路圖；第9-10天 ： 撰寫課程設計報告，將各部分內(nèi)容完整地呈現(xiàn)在報告中，并對本次課程設計進行總結(jié)。主要參考資料1 張國雄. 測控電路. 機械工業(yè)出版社. 20112 鄧北川. 淺談模擬PID電路的學習與辨識.西安航空技術高等?？茖W校學報. 2007年第05期.3 劉康禮.李偉. 模擬PID調(diào)節(jié)器設計及數(shù)字化實現(xiàn).中國礦業(yè)大學.20104 廖常初. PID參數(shù)的意義與整定方法.重慶大學.2010年第05期審查意見系（教研室）主任簽字： 年 月 日 摘要：PID控制是最實用化的控制方式，它是一項流行的線性控制策略，它是對偏差信號e(t)進行比例、積分、微分運算變

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”。 本次課程設計主要設計了傳感器與測控電路中的相應電路(包括調(diào)制解調(diào)電路、放大電路、細分電路等)。對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)進行了設定，詳細介紹了各個電路對PID控制器性能影響。關鍵字：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)過程控制的發(fā)展史上，PID控制是歷史上最悠久、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

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)達國家，采用高級控制技術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。在本次課程設計中主要設計了傳感器與測控電路中的相應電路(包括調(diào)制解調(diào)電路、放大電路、細分電路等)。對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)進行了設定，詳細介紹了各個電路對PID控制器性能影響。PID 控制器在長期應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PID控制器結(jié)構(gòu)設計有關,另一方面也與其參數(shù)整定有很大關系。特別在工業(yè)過程控制中，當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得

5、不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術難以應用時，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，這時應用PID技術最為方便。但是，隨著科學技術的發(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、自適應化、最優(yōu)化方向發(fā)展的趨勢已是明顯的事實。二、設計實現(xiàn)過程：1、設計流程圖對壓力傳感器是施加適當大小的壓力，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

6、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。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)器設計流程圖1.1傳感器的選擇MPX2100半導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系。另外，MPX2100所具有的溫度補償特性克

7、服了半導體壓力敏感器件存在溫度漂移問題，因而具有廣闊的應用前景。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所示.圖2采用恒壓源控制的原理圖當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3傳感器輸出電壓與輸入壓力關系1.2 放大電路的選擇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.

8、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4 基本差動放大電路 1.3調(diào)制電路的選擇選用開關電路進行調(diào)制，在輸入端加入調(diào)制信號， 是兩個場效應晶體管，工作在開關狀態(tài)。在它們的柵極分別加入高頻載波方波信號。當為高電平、為低電平時，V1導通、V2截止。

9、若V1、V2為理想開關，輸出電壓。當為低電平、為高電平時，V1截止、V2導通，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5開關調(diào)制電路 1.4 帶通濾波器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備。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計的通帶之外的頻率信

10、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，濾波器的設計就是把這一衰減區(qū)域做的盡可能的窄，以便該濾波器能最大限度接近完美。通帶的設計與帶通濾波器的中心頻率和帶寬 BW 之間的關系為： （1） （2） 3.帶通濾波器的設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）設參數(shù)。將參數(shù)帶入下列計算式 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，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，并以10V 為參考點進行電平遷移。圖8 輸入電路分析：如圖8 所示，設A1 為理想放大器，即輸入阻抗無窮大，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。3、比例微分電路主要作用：以電平為基準的偏差信號，通過電路進行比例微分運算，再經(jīng)比放大后，其輸出信

12、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9 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： 認為運放為理想運放，則： 令（微分增益）；（微分時間）則：4、比例積分電路主要作用：接收比例微分電路輸出信號，進行PI 運算，輸出以為基準的15V信號給輸出電路。 圖10 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）比小得多，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：

13、設K為運放的開環(huán)增益，則：由于，上式可化簡為：設為積分增益； 為積分時間，則：5、 輸出電路 主要作用： 將PID運算后的以10V為基準的15VDC信號轉(zhuǎn)換為以電源地為基準的420mADC電流信號，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 時， 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)器設計電路是由輸入電路，比例微分電路，比例積分電路，執(zhí)行部件組成，通過上面的分析和公式我們可以得到各個環(huán)節(jié)對電路性能

14、的影響。 圖12 模擬PID調(diào)節(jié)器1、比例環(huán)節(jié)對控制性能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。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)對設定值的無靜差跟蹤。假設系統(tǒng)己經(jīng)達到閉環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)，當且僅當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

15、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、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

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)學模型的基礎之上，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己完善成熟，且為現(xiàn)場工作人員和設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

17、程。（2）在噪聲、負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。四、課程設計總結(jié)這次課程設計歷時兩周，從最開始的選題，查閱與題目相關的技術資料，到后來的分析電路，每一步都有很大的收獲，通過做這次課程設計，將電路中一些知識系統(tǒng)地綜合起來，將理論知識與實際的項目相結(jié)合，可以更好地理解測控電路。 通過對 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，即：（1）原理簡單，使用方便（2）適應性強等。作為在工業(yè)控制中最常用的控制方式，模擬PID 調(diào)節(jié)器具有強大的生命力，并逐漸發(fā)展出許多基于PID 的其它先進的控制方式，例如: 模糊免疫PID