直流穩(wěn)流電源電子設(shè)計(jì)大賽論文

1、-. z. . . . word . .直流穩(wěn)定電源設(shè)計(jì)報(bào)告 -初賽報(bào)告設(shè)計(jì)小組成員：完成時(shí)間：直流穩(wěn)流電源設(shè)計(jì)一、 設(shè) 計(jì) 指 標(biāo)1、根本要求1輸出電流圍：200mA1A；2改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以變化時(shí)，要求輸出電流變化的絕對值輸出電流值的1+5 mA； 3紋波電流1mA；4自制電源。2、發(fā)揮局部1可設(shè)置并顯示輸出電流給定值，要求輸出電流與給定值偏差的絕對值給定值的1+10 mA；2具有“+、“-步進(jìn)調(diào)整功能，步進(jìn)10mA；輸出電流圍為20mA1000mA，步進(jìn)1mA；3設(shè)計(jì)、制作測量并顯示輸出電流的裝置 (可同時(shí)或交替顯示電流的給定值和實(shí)測值)，測量誤差的絕對值測量值的0.1+3

2、個(gè)字；4改變負(fù)載電阻，輸出電壓在10V以變化時(shí)，要求輸出電流變化的絕對值輸出電流值的0.1+1 mA；5紋波電流0.2mA；6其他。二、 設(shè) 計(jì) 過 程摘要：本系統(tǒng)以芯片56F807為核心處理器，主要負(fù)責(zé)A/D采集、D/A輸出和PID算法的計(jì)算。在恒流電源控制電路中，采用大功率達(dá)林頓管提供恒流電源所需要的大電流，負(fù)載可變，輸出電壓在10V以變化。D/A輸出電壓控制輸出電流在20mA到1A之間調(diào)節(jié)，并保持穩(wěn)定。本系統(tǒng)采用單閉環(huán)負(fù)反響PID(比例、積分、微分)算法控制，縮短上升時(shí)間，減小超調(diào)量，減小了輸出電流的偏差。采用總線接口鍵盤，具有設(shè)定值調(diào)整，微調(diào)步進(jìn)量1，粗調(diào)步進(jìn)量10三種調(diào)整功能，中文L

3、CD，可同時(shí)顯示設(shè)定值，實(shí)際值和測量誤差的絕對值。本系統(tǒng)具有超壓保護(hù)和報(bào)警功能。我們自行設(shè)計(jì)了15V電源為系統(tǒng)供電。1、 方案比擬，設(shè)計(jì)與論證1.1 控制方案比擬方案一:見圖1此方案是傳統(tǒng)的模擬PID控制方案，其優(yōu)點(diǎn)是不占用CPU處理器的時(shí)間，對處理器性能的要求比擬低。但模擬PID控制方式的參數(shù)不易匹配，調(diào)節(jié)時(shí)間長，難以把精度做得很高，并且難以實(shí)現(xiàn)題中要求的良好的人機(jī)交互功能。圖1 控制方案一框圖方案二:見圖2此方案采用 摩托羅拉16位DSP芯片56F807為核心處理器來實(shí)現(xiàn)，該平臺具有高處理速度，適合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法和控制。這種方案可以方便地實(shí)現(xiàn)PID的控制算法。本設(shè)計(jì)采用了方案二。圖2 控制

4、方案二框圖1.2 檢測方案比擬方案一直接對負(fù)載進(jìn)展采樣直接對負(fù)載進(jìn)展采樣簡單易行。但由于負(fù)載電阻為可調(diào)節(jié)電阻，輸出可能有電流可能會受接觸電阻的變化而不穩(wěn)定，故不宜選取。方案二對采樣電阻進(jìn)展采樣采樣電阻采用標(biāo)準(zhǔn)精細(xì)電阻，阻值穩(wěn)定，將阻值的變化對電流的影響降低到最小程度。另外，對采樣電阻進(jìn)展采樣，有效防止了外接測量電路對電流的影響。因此采用方案二。2、 理論分析2.1 PID控制算法PID是一種在單片機(jī)控制中常用的算法, PID控制由于其具有控制方法簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高和易于現(xiàn)場調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制。其輸入e (t)與輸出u (t)的關(guān)系為1數(shù)字PID控制算法是以模擬PID調(diào)節(jié)

5、器控制為根底的，由于單片機(jī)是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差計(jì)算控制量。但是如果采樣周期T取得足夠小，采用數(shù)值計(jì)算的方法逼近可相當(dāng)準(zhǔn)確，被控過程與連續(xù)控制十分接近。離散化后的PID算式為：1式中：K : 比例系數(shù)uo : 偏差為零時(shí)的控制作用Ti : 積分時(shí)間Td : 微分時(shí)間T : 采樣時(shí)間以上公式稱為位置式算法。由它可推出增量式算法：在本設(shè)計(jì)中采用了增量式算法，這是由于增量式算法只需保持以前三個(gè)時(shí)刻的偏差即可，既節(jié)省了資源又不會產(chǎn)生較大的積累誤差。式中各系數(shù)由反復(fù)實(shí)踐后確定，實(shí)驗(yàn)證明，這種控制方式可以加快系統(tǒng)階躍響應(yīng)、減小超調(diào)量，并具有較高的精度。3、 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 系統(tǒng)構(gòu)造圖(

6、 如圖3所示 )圖3 系統(tǒng)構(gòu)造圖本系統(tǒng)由處理器56F807、可調(diào)控制電路、可調(diào)電流源主回路、電源電路、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)輸出、反響電路和人機(jī)交互接口構(gòu)成。3.2 處理器性能介紹采用DSP(Digital Signal Processor)數(shù)字信號處理芯片作為中央處理芯片。DSP采用哈佛構(gòu)造和多重流水線構(gòu)造。采用哈佛構(gòu)造將程序空間與數(shù)據(jù)空間分開編址，使讀程序和讀/寫數(shù)據(jù)可以同時(shí)進(jìn)展，并行的流水線處理使多條指令并行處理，使取指、譯碼和執(zhí)行等操作可以重疊執(zhí)行。片的快速RAM通?？梢栽趦蓧K空間中同時(shí)尋址；具有低開銷或無開銷的循環(huán)和跳轉(zhuǎn)硬件支持；具有在單周期操作的多個(gè)硬件地址產(chǎn)生器；可以并行執(zhí)行多個(gè)操作；在

7、一個(gè)指令周期可完成一次乘法和一次加法。與同主頻CPU相比，芯片的處理速度大大加快，適合此題目的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。與普通的8位單片機(jī)最小系統(tǒng)板相比，擁有更多的片資源：具有更多數(shù)目的I/O口，提供更多的可與外部資源的連接；具有部集成，高精度、高速率的12位A/D轉(zhuǎn)換器,具有提高了采樣精度，防止了外圍電路對采樣的干擾；集成了同步外圍串行接口，提高了與外圍器件之間的通信速率，又減少了對I/O引腳的占用。片上自帶MA*5251四通道，10位串行D/A轉(zhuǎn)換器，方便實(shí)用。3.3 可調(diào)電流源主回路該恒流源主電路是由復(fù)合管構(gòu)成的電流放大電路、負(fù)載電阻和采樣電阻構(gòu)成。該復(fù)合管是由兩只晶體管串聯(lián)構(gòu)成。其中第一級的發(fā)射級

8、直接耦合到第二只晶體管的基極上，引出三個(gè)電極e、b、c形成一個(gè)“大三極管。這種管的電流放大倍數(shù)為兩只管子電流放大倍數(shù)之和。根據(jù)輸出電流圍200mA2A和輸出直流電壓小于10V的要求，我們采用可調(diào)5/50W的負(fù)載電阻。為了保證采樣電阻盡可能不受輸出電壓變化的影響，單獨(dú)采用0.5/10W采樣電阻進(jìn)展電壓反響。控制電路由起始點(diǎn)調(diào)整電路和電壓疊加電路構(gòu)成。起始點(diǎn)調(diào)整電路的作用是當(dāng)D/A零輸入時(shí)，設(shè)置Uc的輸出電壓。為了滿足恒流源輸出電壓的要求并且減小步長提高精度，當(dāng)D/A輸出為零時(shí)，Uc的電壓調(diào)整為 11.9V，從而滿足恒流源輸出電壓的要求。電壓疊加電路在起始點(diǎn)調(diào)整電路的根底上添加PID算法的調(diào)整量。

9、圖4 可調(diào)控制電路原理圖3.4 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸出為了減小步長，D/A電路輸出電壓圍控制在00.9V。由于采用10位的D/A芯片，故D/A輸出調(diào)整電壓精度為0.9V / 1024 = 0.87mV。輸出電流的最小步長為0.87 mV / 0.5 = 1.74 mA。圖5 D/A輸出原理圖D/A轉(zhuǎn)換器采用MA*5251。MA*5251為4通道，10位D/A轉(zhuǎn)換器。自帶16位數(shù)據(jù)輸入/輸出移位存放器，并且每一個(gè)D/A通道均集成一個(gè)輸入存放器和DAC存放器。MA*5251的VDD為3.3V，參考電壓為0V-1.9V。其部電路如下所示：圖6 D/A輸出原理圖如上圖所示，D/A轉(zhuǎn)換器通過3根串行線與DS

10、P的同步外圍串行接口連接。其中DOUT為串行數(shù)據(jù)輸出口，DIN為串行數(shù)據(jù)輸入口，發(fā)送和承受16位數(shù)據(jù)。SCLK為串行時(shí)鐘線接口, 為片選信號輸入口，低電平有效， 為復(fù)位信號輸入線，低電平有效。在 置低時(shí)，串行數(shù)據(jù)輸入線上的數(shù)據(jù)可在串行時(shí)鐘信號上升沿時(shí)按位寫入移位存放器，并在之后的 信號上升沿時(shí)將移位后的數(shù)據(jù)寫入輸入存放器。寫入數(shù)據(jù)的前4位為命令控制位，然后為10位數(shù)據(jù)位，最后兩位無功能。通過對命令控制位的不同賦值，可實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換器的不同操作。3.5 反響電路由于采樣電阻為0.5，故反響輸入電壓為0.1V1V。為了抑制干擾，我們將信號放大2.5倍，使反響輸出電壓為0.25V2.5V。同時(shí)采用截

11、止頻率為10Hz的無源低通濾波器，濾除工頻干擾和器件噪聲。為了使反響電壓不大于A/D通道的最大輸入電壓，電路里又添加了限幅保護(hù)電路，有效的保護(hù)A/D正常工作。圖6 D/A反響原理圖3.6 人機(jī)交互接口鍵盤顯示總線只需要由兩根信號線組成，一根是串行數(shù)據(jù)線SDA，另一根是串行時(shí)鐘線SCL。一般SDA和SCL引腳都是漏極開路輸出構(gòu)造。因此實(shí)際使用中SDA和SCL信號線都必須要加上拉電阻，一般取值3-10K。開漏構(gòu)造的好處是：當(dāng)總線空閑時(shí)，這兩條信號線都是保持高電平，幾乎不消耗電流；電氣兼容性好，上拉電阻接5V電源就能與5V邏輯器件接口，上拉電阻接3V電源又能與3V邏輯器件接口；因?yàn)槭情_漏構(gòu)造，所以不

12、同器件的SDA和SDA之間、SCL與SCL之間可以直接相連，不需要額外的轉(zhuǎn)換電路。圖7 總線信號連接示意圖總線以字節(jié)為單位收發(fā)數(shù)據(jù)。傳輸?shù)絊DA線上的每個(gè)字節(jié)必須為8位。每次傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)量不受限制。首先傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)的最高位，最后傳輸?shù)氖亲畹臀弧Ａ硗饷總€(gè)字節(jié)之后還有一個(gè)響應(yīng)位，即應(yīng)答。承受器承受數(shù)據(jù)的情況可以通過應(yīng)答位來告知發(fā)送器。應(yīng)答位的始終脈沖仍由主機(jī)產(chǎn)生，而應(yīng)答位的數(shù)據(jù)狀態(tài)則遵循“誰接收誰產(chǎn)生原則，即總是由承受器產(chǎn)生應(yīng)答位。主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)答位由從機(jī)產(chǎn)生；主機(jī)從從機(jī)接收數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)答位由主機(jī)產(chǎn)生。如果接收器在接收完最后一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)時(shí)，或者不能再接收更多數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生非應(yīng)答來通知發(fā)送

13、器。發(fā)送器接收到非應(yīng)答信號則終止發(fā)送。圖8 主機(jī)向從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的根本格式圖9 主機(jī)從從機(jī)接收數(shù)據(jù)的根本格式各種符號意義為：S：起始位；SA：從機(jī)地址，7位從機(jī)地址；W：寫標(biāo)志位；R：讀標(biāo)志位；A：應(yīng)答位；D：數(shù)據(jù)8位；P：停頓位；陰影：主機(jī)產(chǎn)生的信號；無陰影：從機(jī)產(chǎn)生的信號。圖10 主機(jī)向從機(jī)發(fā)送1字節(jié)數(shù)據(jù)的時(shí)序圖圖11 主機(jī)從從機(jī)接收一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的時(shí)序圖圖12 主機(jī)向從機(jī)連續(xù)發(fā)送多字節(jié)數(shù)據(jù)的時(shí)序圖圖13 主機(jī)從從機(jī)連續(xù)接收多個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的時(shí)序圖主機(jī)與從機(jī)進(jìn)展通信時(shí)，有時(shí)需要切換數(shù)據(jù)的收發(fā)方向，在接換方向時(shí)，可以不必先產(chǎn)生停頓條件再開場下次傳輸，而是直接再一次產(chǎn)生開場條件?？偩€在已經(jīng)處于忙的狀態(tài)

14、下，再一次直接產(chǎn)生起始條件的情況被稱為重復(fù)起始條件。圖14 帶有重復(fù)起始條件的多字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸格式示意圖圖15 鍵盤和LED原理圖 LCD液晶顯示模塊本系統(tǒng)采用12K64圖形點(diǎn)陣式液晶顯示模塊作為主站的顯示界面。12K64液晶顯示模塊由ST7920控制器、12864點(diǎn)陣式顯示屏、二級漢字字庫以及背光照明4局部組成。ST7920控制器置國標(biāo)字庫以及ASCII碼字符庫，直接向其發(fā)送ASCII代碼，即可顯示相應(yīng)的ASCII字符或漢字。除了字符顯示功能外，該顯示模塊還具備圖形顯示功能。本系統(tǒng)采用LCM12832ZK圖形點(diǎn)陣式液晶顯示模塊作為顯示模塊，LCM12832ZK 中文液晶顯示模塊的液晶屏幕為12

15、8*32，可顯示兩行，每行可顯示8 個(gè)漢字。中文液晶顯示模塊可實(shí)現(xiàn)漢字、ASCII 碼、點(diǎn)陣圖形的同屏顯示，電源操作圍寬2.7V to 5.5V，低功耗設(shè)計(jì)可滿足產(chǎn)品的省電要求；同時(shí)與單片機(jī)等微控器的接口界面靈活三種模式：并行8 位/4 位，串行3 線/2 線，可以根據(jù)需要靈活選用。我們采用的是串行3 線式接口。在串行方式下將使用二條傳輸線作串行資料的傳送，主控制系統(tǒng)將配合傳輸同步時(shí)鐘SCLK與接收串行數(shù)據(jù)線SID，來完成串行傳輸?shù)膭幼?。減少了對I/O端口的占用。串口通信傳輸協(xié)議：在片選CS 設(shè)為高電位時(shí)，同步時(shí)鐘線SCLK輸入的訊號才會被接收，另一方面，當(dāng)片選CS設(shè)為低電位時(shí)，模塊的部串行傳

16、輸計(jì)數(shù)與串行資料將會被重置。模塊的同步時(shí)鐘線SCLK具有獨(dú)立的操作，但是當(dāng)有連續(xù)多個(gè)指令需要被傳輸，必須確實(shí)等到一個(gè)指令完全執(zhí)行完成才能傳送下一筆資料，因?yàn)槟K部并沒有傳送/接收緩沖區(qū)。從一個(gè)完整的串行傳輸流程來看，一開場先傳輸起始位，它需先接收到五個(gè)連續(xù)的“1同步位串在起始位元組，此時(shí)傳輸計(jì)數(shù)將被重置并且串行傳輸將被同步，再跟隨的二個(gè)BIT 分別指定傳輸方向位RW及暫存器選擇位RS，最后第八位則為“0。在接收到起始位元組后，每個(gè)指令/數(shù)據(jù)將分為二組接收到：較高4 位元DB7DB4的指令資料將會被放在第一組的LSB 局部，而較低4 位元DB3DB0的指令資料則會被放在第二組的LSB 局部，至于

17、相關(guān)的另四位則都為0。圖16 串行時(shí)序圖圖17 硬件接線圖中文液晶顯示模塊LCM128ZK 的字型ROM 含8192 個(gè)16*16 點(diǎn)中文字型和128 個(gè)16*8 半寬的字母符號字型；另外繪圖顯示畫面提供一個(gè)64*256 點(diǎn)的繪圖區(qū)域GDRAM；而且含CGRAM 提供4 組軟件可編程的16*16 點(diǎn)陣造字功能。電源操作圍寬2.7V to 5.5V，低功耗設(shè)計(jì)可滿足產(chǎn)品的省電要求；同時(shí)與單片機(jī)等微控器的接口界面靈活三種模式：并行8 位/4 位，串行3 線/2 線。中文液晶顯示模塊可實(shí)現(xiàn)漢字、ASCII 碼、點(diǎn)陣圖形的同屏顯示。DSP與LCD液晶顯示模塊采用串行的連接方式。在串行方式下將使用二條傳

18、輸線作串行資料的傳送，主控制系統(tǒng)將配合傳輸同步時(shí)鐘SCLK與接收串行數(shù)據(jù)線SID，來完成串行傳輸?shù)膭幼?。在片選CS 設(shè)為高電位時(shí)，同步時(shí)鐘線SCLK輸入的訊號才會被接收，另一方面，當(dāng)片選CS設(shè)為低電位時(shí)，模塊的部串行傳輸計(jì)數(shù)與串行資料將會被重置。模塊的同步時(shí)鐘線SCLK具有獨(dú)立的操作，但是當(dāng)有連續(xù)多個(gè)指令需要被傳輸，必須確實(shí)等到一個(gè)指令完全執(zhí)行完成才能傳送下一筆資料，因?yàn)槟K部并沒有傳送/接收緩沖區(qū)。從一個(gè)完整的串行傳輸流程來看，一開場先傳輸起始位，它需先接收到五個(gè)連續(xù)的“1同步位串在起始位元組，此時(shí)傳輸計(jì)數(shù)將被重置并且串行傳輸將被同步，再跟隨的二個(gè)BIT 分別指定傳輸方向位RW及暫存器選擇位

19、RS，最后第八位則為“0。在接收到起始位元組后，每個(gè)指令/數(shù)據(jù)將分為二組接收到：較高4 位元DB7DB4的指令資料將會被放在第一組的LSB 局部，而較低4 位元DB3DB0的指令資料則會被放在第二組的LSB 局部，至于相關(guān)的另四位則都為0。采用液晶顯示模塊，克制了系統(tǒng)動態(tài)刷新顯示時(shí)LED管閃爍顯示的缺點(diǎn)，更易于測量觀察。 聲光報(bào)警模塊為了在關(guān)鍵時(shí)刻和異常時(shí)刻及時(shí)給予用戶提示信息和報(bào)警信息，我們設(shè)計(jì)制作聲光報(bào)警模塊。例如用于輸入給定值超限。報(bào)警模塊設(shè)計(jì)電路如下。圖18 聲光報(bào)警模塊3.7 電源電路方案一 制作一個(gè)大電流的15V電源，對兩局部電路集中供電。這種供電方式接線比擬簡單，但由于恒流源產(chǎn)生

20、電路需要的供電電流非常大，兩局部集中供電的電流就更大，這就加大了電源設(shè)計(jì)的難度。另外，由于電流源電路的負(fù)載變化圍比擬大，使電源電流的波動也很大，集中供電會給運(yùn)放局部帶來很大的干擾。方案二 因?yàn)楹懔髟粗骰芈沸枰粋€(gè)大電流，為了保證該回路可以得到足夠的電流，并且當(dāng)主回路電流急劇增大時(shí)，不至于影響其他器件正常工作，采用多電源供電的方式。運(yùn)算放大器局部采用15V對稱電源供電，恒流源產(chǎn)生電路采樣一個(gè)大電流的12V電源。這樣既減小了電源設(shè)計(jì)的難度，有杜絕了兩個(gè)電路之間的互相干擾。圖18 15V對稱電源電路圖圖18大電流15V電源4、 調(diào)試 4.1 PID調(diào)試開環(huán)控制系統(tǒng)(open-loop control

21、 system)是指被控對象的輸出(被控制量)對控制器(controller)的輸出沒有影響。在這種控制系統(tǒng)中，不依賴將被控量反送回來以形成任何閉環(huán)回路，所以構(gòu)造簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但輸出誤差較大，鑒于此題目對輸出誤差有嚴(yán)格的要求，所以應(yīng)該采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)(closed-loop control system)的特點(diǎn)是系統(tǒng)被控對象的輸出(被控制量)會反送回來影響控制器的輸出，形成一個(gè)或多個(gè)閉環(huán)。閉環(huán)控制系統(tǒng)有正反響和負(fù)反響，假設(shè)反響信號與系統(tǒng)給定值信號相反，則稱為負(fù)反響( Negative Feedback)，本系統(tǒng)即采用了閉環(huán)負(fù)反響控制系統(tǒng)。在工程實(shí)際中，PID比例、積分、微分是應(yīng)

22、用最為廣泛的閉環(huán)控制規(guī)律。當(dāng)被控對象的構(gòu)造和參數(shù)不能完全掌握，或得不到準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的構(gòu)造和參數(shù)必須依靠經(jīng)歷和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對象或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)展控制的。 比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差Steady-state error。 在積分控制中，控制器的輸出與輸入

23、誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個(gè)自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個(gè)控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的或簡稱有差系統(tǒng)System with Steady-state Error。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)。積分項(xiàng)對誤差取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會增大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會隨著時(shí)間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。 在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分即誤差的變化率成正比關(guān)系。 自動控制系統(tǒng)在克制誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原

24、因是由于存在有較大慣性組件環(huán)節(jié)或有滯后(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的方法是使抑制誤差的作用的變化“超前，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是“微分項(xiàng)，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而防止了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。 數(shù)字PID算法1根本PID算法位置式PID算法 模擬PID調(diào)節(jié)器的理想PI

25、D算法為 1式中 調(diào)節(jié)器的輸出；調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制偏差；調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)；積分時(shí)間常數(shù)；微分時(shí)間常數(shù)；在數(shù)字控制系統(tǒng)中，因?yàn)槭遣蓸涌刂?，根?jù)采樣時(shí)刻的偏差計(jì)算控制量，因此上式中的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)不能直接準(zhǔn)確計(jì)算，只能用數(shù)值計(jì)算的方法逼近。用數(shù)字形式的差分方程來代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時(shí)的積分項(xiàng)和微分項(xiàng)用下面的式子進(jìn)展變換 2 3式中 T采樣周期，=；第k次采樣時(shí)刻的控制偏差量；第k-1次采樣時(shí)刻的控制偏差量；k采樣時(shí)刻序號，k=1,2,。將式2，3代入式1可得離散的增量式PID表達(dá)式為 4式中 為第k次采樣時(shí)刻調(diào)節(jié)器的輸出。位置式算法中的積分項(xiàng)包含了過去誤差的積累值，容易產(chǎn)生累積誤差。當(dāng)該項(xiàng)累積值

26、很大時(shí)，使輸出控制量難以減小，調(diào)節(jié)緩慢，發(fā)生積分飽和，對調(diào)節(jié)控制不利。由于計(jì)算機(jī)字長的限制，當(dāng)該項(xiàng)超過字長時(shí)，又會引起積分喪失現(xiàn)象。增量式則沒有這些缺點(diǎn)。增量式PID算法運(yùn)算的輸出增量為前后兩次采樣所計(jì)算的位置值之差，即代入4式整理可得5或6式中 積分系數(shù)；微分系數(shù)。 式(5)或(6)就是理想的PID增量式算法其輸出表示執(zhí)行機(jī)構(gòu)在第k-1次采樣時(shí)刻輸出根底上的增量。改良的PID算法在理想PID算法中，P、I、D三個(gè)組成局部的比例在整個(gè)控制過程中都是不變的，而在改良的PID算法中，往往在控制過程的*個(gè)階段，有意識地加強(qiáng)或削弱其中*個(gè)成分的比例，即P、I、D三個(gè)局部的比例在整個(gè)控制過程中是變化的。在PID控制算法中，微分局部對數(shù)據(jù)誤差和外來干擾信號特別敏感。一旦出現(xiàn)干擾，由微分局部而得的計(jì)算結(jié)果有可能出現(xiàn)不期望的大的控制量。因此在數(shù)字PID算法中，干擾通過微分項(xiàng)對控制質(zhì)量的影響是主要的。出于微分局部對*些對象是必要的不能簡單地因其對于擾反響敏感而棄之不用，所以應(yīng)該采用對于擾不過于敏感的微分項(xiàng)的近似算法。常用的抑制干