初識微分、積分電路的本質以及電容的陰謀

很多朋友覺得PID是遙不可及，很神秘，很高大上的一種控制，對其控制原理也很模糊，只知曉概念性的層面，知其然不知其所以然，那么本期從另類視角來探究微分、積分電路的本質，意在幫助理解PID的控制原理（PID：P表示比例控制；I表示積分控制；D表示微分控制）。

在認清微分、積分電路之前，我們都知道電容的特性：電容的電流超前電壓相位90°，很多教材都這么描述，讓人很費解，其本質又是什么呢？

要徹底掌握微分、積分電路或PID控制思路，首先得了解電容。

電容就是裝載電荷的容器，從微觀角度看，當電荷流入容器時，隨著時間的變化極間電場逐漸增大；以圖1為例：

①充電開始時Uc=0V，壓差△U=Ur=Ui，此刻容器內無電荷，也就無電場排斥流入的電荷；所以電流Ic最大，表現(xiàn)為容抗最小，近似短路；

②當Uc上升，壓差△U開始減小，該過程形成電場，容器開始排斥流入的電荷；電流Ic逐漸減小，表現(xiàn)為容抗逐漸增大；

③當Uc=Ui，壓差△U=Ur=0V，此刻容器內電場最強，以最大排斥力阻止流入的電荷；電流Ic=0，表現(xiàn)為容抗最大，近似開路。

圖1：電容容器充電模型

當電荷流出容器時，隨著時間的變化極間電場逐漸減??；該放電過程的電容可看成是一個內阻為0的電壓源，以圖2為例（移除電源并接地）：

①放電開始時Uc=Ui，此刻容器內充滿電荷，因此電場最強，而電阻不變，則放電電流Ic最大（方向與充電相反），電阻兩端的電壓Ur=Uc，則Ur=Ui；

②當Uc下降，該過程電場減弱，放電電流Ic逐漸減小，Ur=Uc也逐漸減小；

③放電耗盡Uc=0V，此刻容器內無電荷，因此無電場，Ur=0V。

圖2：電容容器放電模型

電容就好比水桶一樣，流入的水流無論是大還是小，水位的變化一定是從最低位開始連續(xù)上升的；而電容內的電荷也是逐漸從0開始積累起來的，積累過程與自然常數(shù)e有關系，這里就不深入討論了。

圖3就是電容充放電的電壓-電流曲線。

圖3：電容充放電，電壓-電流曲線

聯(lián)系前面的分析，可總結為：

①電容電壓不能突變，電流可突變（教材的定義是電容的電流與電壓的變化率成正比）；

②充電過程中的電容可等效成一個可變電阻，放電過程中的電容可等效成一個電壓源；

③電容電流反映的是單位時間內流動的電荷量，電容電壓（或電場）反映的是電荷量的多少。通俗的理解就是流動的電荷才會導致電荷量多少的變化（與①相吻合）；用數(shù)學語言描述則是電容的電流超前電壓相位90°；

④電容充放電速度與電容和電阻大小有關。

對電容充分了解之后，首先我們先來認識最簡單的分壓電路，如圖4根據(jù)歐姆定律VCC=2.5V，該純阻性的分壓電路就是比例運算電路的雛形。

圖4：分壓電路

如圖5，我們把R2換成104（0.1μF）電容，C1電容充滿電后近似開路，VCC=5V；該電路就是積分運算電路的雛形。那么把5V改成信號源就構成了低通濾波電路。

圖5：積分電路

如圖6為上圖的充電波形，紅色表示5V的波形，藍色表示VCC的波形，因為電容充電時的容抗由小變大直至開路，所以分壓VCC也由小變大直至為5V。而且電容充電需要一定的時間，導致VCC的波形要緩一些，該5V是開關電源上電軟啟動時的輸出波形。

圖6：積分電路波形

把圖4圖5組合就得到圖7的電路，這就是我們經常使用的PI電路（比例積分），在參考電壓或分壓電路里很常見，加電容的目的就是增加延時性，穩(wěn)定VCC的電壓不受5V波動而波動，VCC=2.5V。

圖7：PI電路

把圖5中電容和電阻的位置交換一下得到如圖8的電路，C1電容充滿電后近似開路，VCC=0V；該電路就是微分運算電路的雛形。那么把5V改成信號源就構成了高通濾波電路。

圖8：微分電路

如圖9為上圖的充電波形，紅色表示5V的波形，藍色表示VCC的波形，因為電容充電時的容抗由小變大直至開路，所以分壓VCC由大變小直至為0V。也就是紅色波形從0開始跳變一瞬間，VCC已經是最大值，所以微分有超前預判的性質（反映的是輸入信號的變化率）。

圖9：微分電路波形

如圖10為（反相）比例運算電路。

圖10：比例運算電路

如圖11，Uo與Ui成線性關系。

圖11：比例運算電路波形

如圖12、圖13為微分運算電路的充放電過程：

充電過程的電容C1可等效成一個可變電阻，C1開始充電時的容抗為0，電壓不可突變則電壓為0，運放-輸入端得到的分壓為正最大峰值，于是Uo為運放的負最大峰值，隨著電容充滿電，U0逐漸變?yōu)?。

圖12：微分運算電路-充電

放電過程的電容C1可等效成一個電壓源，且電壓不可突變，此時電流反向為最大值，R1電壓瞬間反向也為最大值，運放-輸入端得到的分壓則為負最大峰值，于是Uo為運放的正最大峰值，隨著電容放完電，U0逐漸變?yōu)?。

圖13：微分運算電路-放電

如圖14為微分運算電路的輸入輸出波形，聯(lián)系前面的分析結果，則Uo反映的是Ui的變化率，這樣就達到了預判超前的效果。

圖14：微分運算電路波形

如圖15為微分運算仿真電路，為了防止運放出現(xiàn)飽和，必須限制輸入電流，實際使用時需要在電容C1輸入端串聯(lián)一個小電阻R2。串聯(lián)電阻后的電路已經不是理想微分運算電路了，但是只要輸入信號周期大于2倍RC常數(shù)，可以近似為微分運算電路。

圖15：微分運算仿真電路

如圖16為微分運算仿真電路波形，其中IN-為運放-輸入端的波形。

圖16：微分運算仿真電路波形

如圖17、圖18為積分運算電路的充放電過程：

充電過程的電容C1可等效成一個可變電阻，C1開始充電時的容抗為0，電壓不可突變則電壓為0，運放-輸入端得到的分壓為0，于是Uo為0，隨著電容充滿電，運放-輸入端得到的分壓為正最大值，U0為運放的負最大峰值。

圖15：積分運算電路-充電

放電過程的電容C1可等效成一個電壓源，且電壓不可突變，運放-輸入端得到的分壓也不可突變，隨著電容放完電，于是Uo由負最大峰值逐漸變?yōu)?。

圖16：積分運算電路-放電

如圖17為積分運算電路的輸入輸出波形，聯(lián)系前面的分析結果，則Uo反映的是Ui的積累過程，這樣就達到了延遲穩(wěn)定的效果。

圖17：積分運算電路波形

如圖18為積分運算仿真電路，為了防止運放出現(xiàn)飽和，實際使用時需要在電容C2兩端并聯(lián)一個電阻R3。并聯(lián)電阻后的電路已經不是理想積分運算電路了，但是只要輸入信號周期大于2倍RC常數(shù)，可以近似為積分運算電路。

圖18：積分運算仿真電路

如圖19為積分運算仿真電路波形，其中IN-為運放-輸入端的波形。

圖19：積分運算仿真電路波形

要點：

①微分、積分運算電路利用了電容充放電時其電壓不可突變的特性達到調節(jié)輸出的目的，對變化的輸入信號有意義；

②微分D控制有超前預判的特性，積分I控制有延遲穩(wěn)定的特性，在PID調節(jié)速度上，微分D控制＞比例P控制＞積分I控制。

審核編輯：湯梓紅