1、#*湖南文理学院课程设计报告课程名称： 电子技术课程设计 院 系： 电气与信息工程学院 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 完成时间： 2011.6.23 报告成绩： 评阅意见：评阅教师 日期 #*模 拟 式 PID 调 节 电 路 的 研 究#*目 录摘要 .IABSTRACT.II第一章 模拟式 PID 调节电路结构 .11.1 基于 PID 调节规律的 PID 调节电路结构 .11.2 PID 调节电路结构之比较 .2第二章 并联式模拟 PID 调节电路单元分析 .32.1 PID 调节电路单元的基石 .32.1.1 反相比例电路 .32.1.2 积分电路 .42.1.3 基本微分电路
2、.52.2 调节单元电路分析 .62.2.1 比例调节（P 调节） .62.2.2 比例积分调节（PI 调节） .72.2.3 比例微分调节（PD 调节） .82.2.4 比例积分微分调节 .102.3 数字式调节模式选择单元分析 .11第三章 基于 MULTISIM10 的模拟式 PID 调节电路的仿真 .123.1 积分、微分电路的仿真 .123.1.1 积分电路的阶跃响应及频率特性 .123.2.2 微分电路的阶跃响应及频率特性 .133.2 并联式模拟 PID 调节单元仿真 .143.2.1 数字式调节模式选择单元仿真 .143.2.2 P 调节电路的阶跃响应 .143.2.3 PD
3、调节电路的阶跃响应 .153.2.4 PI 调节电路的阶跃响应 .153.2.5 PID 调节电路的阶跃响应 .15总结 .17参考文献 .18致谢 .19附录 1 并联式模拟 PID 调节仿真电路 .20附录 2 并联式模拟 PID 调节电路 .21附录 3 并联式模拟 PID 调节电路元件明细表 .22#*摘 要PID 调节规律是自动控制系统中常见而典型的控制策略，其中模拟式 PID 器是最基本的实现手段与方式。它由比例、积分、微分三种基本电路所构成。根据不同的需求可构成比例（P）调节、比例积分（PI ）调节、比例微分（PD）调节、比例积分微分（PID）调节电路。P 调节的特点是有差调节，
4、调节器动作快，对干扰能及时和有很强的抑制作用。I 调节的特点是能消除静态偏差。D 调节作用是超前的调节作用，有利于克服动态偏差。借助 Multisim10 仿真软件对 P、PI、PD、PID 调节电路以及调节功能选择电路单元作了功能上的仿真，圆满实现了对模拟式 PID 调节电路的研究。关键词 比例；积分；微分；PID 调节；仿真#*AbstractThe regularity of PID is normal and typical strategy on auto-control. And the analog PID controller is the basic way to achie
5、ve the function of adjustment. The analog PID (Proportion Integration Differentiation) adjuster mainly consists three basic circuit of proportional, integral and differential circuit. Different combination of circuit may constitute some adjusters of different function, such as P adjuster, I adjuster
6、, PI adjuster, PD adjuster and PID adjuster. The proportional adjustment is a differential regulator to adjust, to be fast, to interfere in and have strong inhibition. The features of I adjuster is that it can eliminate the steady state deviation. differential adjustment is the role of advancing tim
7、e, it can overcome the dynamic deviation. With the assistant of Multisim10, Its successful to made a simulation analysis. keywords: Proportion; Integration; Differentiation; PID; Simulation#*第一章 模拟式 PID 调节电路结构PID 调节规律是自动控制系统中常见而典型的控制策略，其中模拟式 PID 器是最基本的实现手段与方式。PID 控制器，是按偏差的比例 P(Proportiona1)、积分 I(Int
8、egra1)、微分 D(Diferential)进行控制的调节器的简称，它主要针对控制对象来进行参数调节。并以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制主要和可靠的技术工具。PID 控制器问世至今，控制理论的发展经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。在工业控制系统和工程实践中，传统的 PID 控制策略依然被广泛采用。现代的 PID 控制器种类除了以模拟式 PID 调节电路为核心的控制器外，还出现了以计算机技术为核心的数字 PID 控制器。本文中所研究的是模拟式 PID 电路在给定 1 V 的阶跃信号的情况下，分别使用比例（P） 、比例积分（PI ） 、比例微分（P
9、D ） 、比例积分微分（ PID）电路进行调节，来研究输出信号与调节电路中各参数的关系。1.1 模拟式 PID 调节器的电路结构比例、积分、微分电路经过不同的组合、变换可得到三种不同的结构形式。它们具体如下：结构一：一体式模拟 PID 调节电路结构。顾名思义， “一体”即将比例积分微分三者合为一体，用单一结构实现 PID 调节功能，其结构限制了其只能实现 PID 这一单一的调节功能，并且，在调节过程中，无法保证 P、I、D 调节的独立进行。其结构如图 1.1 所示。图 1.1 一体式模拟 PID调节电路结构P、I、D 同时运算输入 输出结构二：串联式模拟 PID 调节电路结构。 “串联”即将比
10、例电路、比例积分电路、比例微分电路输入与输出依次串联起来，三者依次作用。其结构形式决定了其输出只能为 P、PI、PID 运算后的结果。结构如图 1.2 所示。图 1.2 串联式模拟 PID调节电路结构P 运算 PI 运算 PD 运算输 出输入结构三：并联式模拟 PID 调节电路结构。 “并联”即将比例电路、比例积分电路、比例微分电路的输入并联起来，并在 P、PI 、PD、PID 调节电路后引出输出端，再经过合适的选择单元，就可以使得输出的运算量可以是 P、PI 、PD、PID 运算后中的任一结果。结构如图 1.3 所示。1.2 三种电路结构的比较在硬件结构设计过程中，电路形式的选择必须与实际情
11、形联系起来，要从各个方面考虑设计的可行性，不仅要考虑其先进性也要考虑其现实性，要从多方面综合寻求最佳方案。 “一体式”模拟 PID 调节电路结构所使用的元器件数少，成本低，易于制作。但由于它的“集成度”相对较高，造成在进行一种调节时改变另一种调节的参数，使得调节效果不佳，另外，它只能实现 PID 这种单一的调节模式。在实际调节过程中，可能用到 P 调节、PI 调节、PD 调节以及 PID调节模式中的一种。而并联式模拟 PID 调节电路结构中，引出了四个输出端以分别实现上述调节模式，并且，只要在输出端引进数字式调节模式选择单元，就可利用数字信号实现对调节模式的选择。显然，在串联式模拟PID 调节
12、电路结构中，很难实现 PD 调节的输出。综合起来，并联式模拟 PID 调节电路结构的优越性便能得以体现。本文所研究的也是此种结构。图 1.3 并联式模拟 PID调节电路结构P 运算PI 运算PD 运算输入输 出#*第二章 并联式模拟 PID 调节电路单元分析当今的自动控制技术大部分是基于反馈概念的，反馈理论包括三个基本要素：测量、比较和执行。测量关心的是变量，并与期望值相比较，以此误差来纠正和调节控制系统的响应。反馈理论及其在自动控制中应用的关键是做出正确与比较后，如何用于系统的纠正与调节。理想 PID 增量式数学表达式为：（2-1）1()()()()oCDI dututKuttT 式中，u
13、o(t)为调节器输出的增量值；u (t)为被控参数与给定值之差。若用实际输出值表示，则式（2-1）可改写为（2-2）1()()(0)()()0oc DI dututtututT 式中，u(0) 为当偏差为零时调节器的输出，它反映了调节器的工作点。将式（2-1）写成传递函数形式，则为（2-3）0()1 ()cDsUsGKTE式中，第一项为比例（P）部分，第二项为积分（I ）部分，第三项为微分（D）部分；K c 为调节器比例增益；T I 为积分时间（以 s 或 min 为单位） ；T D 为微分时间（也以 s 或 min 为单位） 。通过改变这三个参数的大小，可以相应改变调节作用的大小及规律。2.
14、1 PID 调节电路单元的基石世上万物都是原子这个最基本成分构成的，同样的，PID 调节电路也有着其基本成分，它们分别是反相比例电路、积分电路及微分电路。2.1.1 反相比例电路由运放组成的反相输入比例放大电路如图 2.1 所示。在理想条件下，该电路的主要闭环特性如表 2.1 所示。在表中 1利用上表可计算出运算误差。表 2.1 说明，由运放组成的反相输入比例放大电路具有如下重要特性：(1)在深度负反馈情况下工作时，电路的放大倍数仅有外接电阻R1、R 2 的值确定。(2)因同相端接地，则反相电位为“虚地”，因此，对前级信号源而言，其负载不是运放本身的输入电阻，而是电路的闭环输入电阻R1。(3)
15、运放的输出电阻也由于深度负反馈而大为减小。由于 R1=R2 这一特点，反相比例放大器只宜用于信号源对负载电阻要求不高的场合（小于 500k） 。表 2.1 反相比例放大电路特性主要闭环特性 理想运放 实际运放闭环增益 21/VFA21/ VFONRAK图 2.1 反 相 比 例 放 大 电 路 ouiu#*输入电阻 1iR21/iidOVRRA输出电阻 0oc oocK在设计反相比例放大电路时，要从多种因素来选择运放参数。PID 调节电路的输入输出要求为：输入15V 的电压信号，输出 5 20mA 的电流。由于运算放大器的工作电压为15V，因此比例放大的增益不能超过 3，R 2 与 R1 的比
16、值也就不能超过 3。2.1.2 积分电路如图 2.2 所示为基本积分器电路。若集成运放满足理想运放条件，则该运放应具有“虚断” 与“ 虚短”的特点，结合电容的伏安特性，可推出其输入、输出关系为：（2-4）1()(0)RCoioutdu式（2-4）说明了该电路的输入输出关系确为积分关系。式中uo(0)为 t = 0 时刻（即积分初始时刻）的输出电压，通常称为初始电压。由于理想运放同相端接地，故反相输入端“虚地”，电位也是 0。所以，输出电压 uo = - uc，输出电压的初始值为 0，实质上就是电容两端的初始电压 uc = 0。在复频域分析中，积分电路的传递函数可以用下式表示：（2-5）2211
17、U()I()Z()1GRCToisss在正弦稳态响应中， 。故其频率特性为：sj（2-6）()Uoijj幅频特性为：（2-7）1G()|)|RCj相频特性为：（2-8）()2根据式（2-6） 、 （2-7） （2-8 ）可作出基本积分电路的幅频特性和相频特性。如图 2.3 所示。图 2.2 基本积分电路iuou图 2.3 基本积分电路的幅频特性和相频特性lglg20dB/secG(dB) /2#*2.1.3 基本微分电路基本微分器的电路如图 2.4 所示，可见是将基本积分器电路中电阻电容的位置交换而得。在理想运放的条件下，若运放工作于线性区，输入端的电流，且由于同相端接地，故 U = 0，即
18、ui = uc，根据电容的伏安特性，输入电流为：（2-9）icicttduC而反馈回路中的电流为：（2-10）110Rofui由于理想运放虚断的特性，i i = if，因此有（2-11）1Ciotd即：（2-12）1Riotud其传递函数为（2-13）1U()GCToiss频率特性：（2-14）1()RUoijj幅频特性为：（2-14）1G()|)|CTj相频特性为：（2-15）2根据式（2-14）和式（2-15）分别画出其幅频特性曲线和相频特性图 2.5 所示。基本微分电路的理论分析基于理想运放，说明该电路具有微分特性，但在实际使用存在稳定性差、易吸收高频干扰、在高频电路中输入阻抗很小的缺点
19、，事实上很少用于实际电路。微分器的实际传输函数中包含如式（2-13）所示的理想传输函数项和一个二阶振荡环节的传输函数，因此该电路的工作很不稳定，易自激。实用的微分电路必须在此基础上进行改进。实用型微分电路在输入端串入了电阻 R1，这个电阻使输入回路的等效电阻增加，增大了二阶振荡环节图 2.5 基本微分电路的幅频特性和相频特性lglg20dB/secG(dB)- /2图 2.6 实用型微分电路iuouci oui图 2.4 基本反相积分电路fi #*的阻尼系数，可以提高电路的稳定性。实用型微分电路如图 2.6 所示。2.2 调节单元电路分析2.2.1 比例调节（P 调节）比例调节单元电路如图 2
20、.7 所示。在 P 调节中，调节器的输出信号 uo 与偏差信号 u 成比例，即：(2-16) 1RpKc式中 Kc 称为比例增益( 视情况可设置为正或负) 。需要注意的是，上式中的调节器输出实际上是对其起始值 u(0)的增量。因此，当偏差 u 为零因而 uo = 0 时，并不意味着调节器没有输出，它只说明此时有 uo = u(0)，u(0) 的大小是可以通过调整调节器的工作点加以改变的。在过程控制中习惯用增益的倒数表示调节器输入与输出之间的比例关系：(2-17)1o其中 称为比例带。图 2.8 显示了比例调节器对于偏差阶跃变化的时间响应。比例调节的显著特点就是有差调节，调节器动作快，对干扰能及
21、时和有很强的抑制作用。调节器的比例增益(或比例带)的选择有其两重性。比例带 越大，调节器的动作幅度越小，调节过程越稳定，但被调量的动态偏差增大；反之，比例带 越小，调节器的动作幅度越大，调节过程易出现振荡，稳定性降低。比例调节的残差随着比例带的加大而加大。从这一方面考虑，在实际应用中希望尽量减小比例带。然而，减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定。稳定性是任何闭环控制系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定裕度。此时，如果残差过大，则需通过其它的途径解决。 很大意味着调节阀的动作幅度很小，因此被调量的变化比较平稳，甚至可以没有超调，但残差很大，
22、调节时间也很长。减小 就加大了调节阀的动作幅度，引起被调量来回波动，但系统仍可能是稳定的，残差相应减小。 具有一个临界值，此时系统处于稳定边界的情况，进一步减小 系统就不稳定了。2.2.2 比例积分调节（PI 调节）比例积分调节单元电路如图 2.9 所示。PI 调节就是综合 P、I 两种调节的优点，利用 P 调节快速抵消干扰的影响，同时利用 I 调节消除残差。它的调节规律为：(2-18)0KStocuud或(2-19) 0I1Ttott uu(0)u(0)+Kcuo1图 2.8 P调节器的阶跃响应图 2.7 比例调节单元Rp210k-15V+1 5VR110kR210kV CC+-V EEO UTUA741Rp110kou
