宋鵬測(cè)控電路課程方案報(bào)告

學(xué)生姓名題目課題性質(zhì)指導(dǎo)教師主要內(nèi)容<參數(shù)）任務(wù)要求<進(jìn)度）主要參考資料審查意見(jiàn)

個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用測(cè)控電路課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)宋鵬專業(yè)班級(jí)測(cè)控1001學(xué)號(hào)201848770116班模擬PID調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì)工程設(shè)計(jì)課題來(lái)源參考書(shū)劉建娟參考期刊、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。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7-8天：進(jìn)一步修正方案并畫(huà)出電路圖；第9-10天：撰寫(xiě)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)。張國(guó)雄.《測(cè)控電路》.機(jī)械工業(yè)出版社.2018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)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào).2007年第05期.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).2018廖常初.《PID參數(shù)的意義與整定方法》.重慶大學(xué).2018年第05期系<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，它個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用是對(duì)偏差信號(hào)e(t>進(jìn)行比例、積分、微分運(yùn)算變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(xiě)，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)流程圖個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用對(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：壓力傳感器 放大電路 調(diào)制電路 帶通濾波器 解調(diào)電路比例積分 輸出電路微分圖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 .+12VR+ΔR R-ΔR+R-ΔR R+ΔR個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用圖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。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。其電路圖如個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用下：令 。R2所以，

+12R1Ui1R3 UoUi2R4圖4基本差動(dòng)放大電路1.3調(diào)制電路的選擇選用開(kāi)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(kāi)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。若V1、V2為理想開(kāi)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(kāi)后可寫(xiě)V1V2Ux Uo圖5開(kāi)關(guān)調(diào)制電路Uc -Uc1.4帶通濾波器定義：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。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，比如個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用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 ）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：R5VCCC4C3R1Ui(s)Uo(s)R2VCC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)算式個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用得 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R2R4R2'CAR?VD1R3'VCCVCCR1VD2R3Us'N1N2UsUA'UAUoVCCVCC圖7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。VCC RR FViR TRoRVsVCCRVo1RRoVb個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用圖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。 VCCA2CD9.1KVo2Vo1RDRp1\aVCC1KVb個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用圖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1～5V信號(hào) 給輸出電路。VCCCMC1 VT1FA3T9.1KR1Vo2VCC Vo31KVb個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用圖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：設(shè)K為運(yùn)放的開(kāi)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1～5VDC信號(hào)轉(zhuǎn)換為以電源地為基準(zhǔn)的4～20mADC電流信號(hào)，并保持恒流特性。圖中元件參數(shù)滿足+24vVCCRfR3R1

R4F V-

IfVfVT1A4 IbV+RL個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用圖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、總電路分析個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用如下圖所示，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)電路性能的影響。VCCVCCR?CM+24vRVCCVCCRfR3RFViFCDA2CIA1TFVfRR4TA3IfRTVsRo9.1K9.1KVT1RR1FV-A4RpVCCRDVCCRLV+VCCTR1\aRLRo1K1KR2IbVbVbVT2VCCIo A4-20mA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(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(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)，具有超前的控制個(gè)人資料整理 僅限學(xué)習(xí)使用作用。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)，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