模擬PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計

　　PID調(diào)節(jié)規(guī)律是自動控制系統(tǒng)中常見而典型的控制策略，其中模擬式PID器是最基本的實現(xiàn)手段與方式。它由比例、積分、微分三種基本電路所構(gòu)成。根據(jù)不同的需求可構(gòu)成比例（P）調(diào)節(jié)、比例積分（PI）調(diào)節(jié)、比例微分（PD）調(diào)節(jié)、比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)電路。P調(diào)節(jié)的特點是有差調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器動作快，對干擾能及時和有很強的抑制作用。I調(diào)節(jié)的特點是能消除靜態(tài)偏差。D調(diào)節(jié)作用是超前的調(diào)節(jié)作用，有利于克服動態(tài)偏差。借助Multisim10仿真軟件對P、PI、PD、PID調(diào)節(jié)電路以及調(diào)節(jié)功能選擇電路單元作了功能上的仿真，圓滿實現(xiàn)了對模擬式PID調(diào)節(jié)電路的研究。

　　對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(shè)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e（t）盡可能的小。

　　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(guān)系。另外，MPX2100所具有的溫度補償特性克服了半導(dǎo)體壓力敏感器件存在溫度漂移問題，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　1 工作原理

　　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(yīng)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 1所示。

　　當(dāng)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U=E（△R/R）=（EK/R）P，即電橋輸出電壓與壓力 P成正比，如下圖所示：

　　放大電路的選擇

　　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(yīng)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：

　　調(diào)制電路的選擇

　　選用開關(guān)電路進行調(diào)制，在輸入端加入調(diào)制信號xu，21VV， 是兩個場效應(yīng)晶體管，工作在開關(guān)狀態(tài)。在它們的柵極分別加入高頻載波方波信號cU，cU。當(dāng)cU為高電平、cU為低電平時，V1導(dǎo)通、V2截止。若V1、V2為理想開關(guān)，輸出電壓Xuuo?。當(dāng)cU為低電平、cU為高電平時，V1截止、V2導(dǎo)通，輸出為零。經(jīng)過調(diào)制xu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

　　帶通濾波器

　　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(shè)備。

　　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(shè)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(yīng)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(shè)計的通帶之外的頻率信號，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(shè)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(shè)計與帶通濾波器的中心頻率0f和帶寬 BW 之間的關(guān)系為：

　　反相比例電路由運放組成的反相輸入比例放大電路如圖2.1所示。在理想條件下，該電路的主要閉環(huán)特性如表2.1所示。在表中1利用上表可計算出運算誤差。表2.1說明，由運放組成的反相輸入比例放大電路具有如下重要特性

　?。?）在深度負反饋情況下工作時，電路的放大倍數(shù)僅有外接電阻R1、R2的值確定。

　　（2）因同相端接地，則反相電位為“虛地”，因此，對前級信號源而言，負載不是運放本身的輸入電阻，而是電路的閉環(huán)輸入電阻R1。

　?。?）運放的輸出電阻也由于深度負反饋而大為減小。由于R1=R2這一特點，反相比例放大器只宜用于信號源對負載電阻要求不高的場合（小于500kΩ）。

　　在設(shè)計反相比例放大電路時，要從多種因素來選擇運放參數(shù)。PID調(diào)節(jié)電路的輸入輸出要求為：輸入1～5V的電壓信號，輸出5～20mA的電流。由于運算放大器的工作電壓為±15V，因此比例放大的增益不能超過3，R2與R1的比值也就不能超過3。

　　比例微分電路

　　主要作用：以bV電平為基準(zhǔn)的偏差信號1Vo，通過電路進行比例微分運算，再經(jīng)比放大后，其輸出信號2Vo 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

　　比例積分調(diào)節(jié)（PI調(diào)節(jié)）

　　分析：用運算法對電路進行分析。由于分壓電阻（9.1k 和1k）比IR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：

　　比例環(huán)節(jié)對控制性能的影響

　　比例增益pK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(dāng)比例增益pK越大，PID 控制器調(diào)節(jié)速度越快。但pK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

　　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(shè)定值的無靜差跟蹤。假設(shè)系統(tǒng)己經(jīng)達到閉環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)且僅當(dāng)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)iT的大小，iT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(yīng)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。

　　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(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(dāng)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dT的大小，dT 越大，微分作用越強，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(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)dipKKK，，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(shù)己完善成熟，且為現(xiàn)場工作人員和設(shè)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：

　?。?）許多被控過程機理較復(fù)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)方程。

　?。?）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(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。

　　本文對 PID 調(diào)節(jié)器各硬件電路的分析，通過分析，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(yīng)性強（3）魯棒性強。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 控制、模糊自適應(yīng)整定PID 控制、專家PID 控制等等，應(yīng)該說對該種調(diào)節(jié)方式的研究已經(jīng)到了成熟的階段，現(xiàn)行的各種算法已經(jīng)可以滿足工業(yè)控制的需要。但是，對于一些特殊的行業(yè)，例如軍事工業(yè)、航天工業(yè)等，則需要一些復(fù)雜的算法才能滿足控制的需要。這是自動化學(xué)科人員今后重點的研究對象。