模拟PID调节器设计及数字化实现

《模拟PID调节器设计及数字化实现》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、模拟PID调节器设计及数字化实现摘要：本文首先对现代工控系统中比较常用的PID调节器原理作了详细的阐述，然后对各个环节进行了硬件电路的设计，并通过MATLAB、EWB等EDA软件对各个环节及整个调节电路进行了验证摘要：本文首先对现代工控系统中比较常用的PID调节器原理作了详细的阐述，然后对各个环节进行了硬件电路的设计，并通过MATLAB、EWB等EDA软件对各个环节及整个调节电路进行了验证仿真。通过分析，得出了PID调节器的优点及缺陷。最后，对数字化实现PID调节器的工作过程进行了概述。关键词：PID；硬件设计；数字实现；EDA仿真　　

2、　　引言　　随着工业自动化的不断发展，人们对于生产过程的要求越来越高，这就促使人们在生产实践中不断探求新的控制方案。而在控制方案的选择中，控制规律的选择尤为重要。控制规律的恰当与否将直接决定生产线的安全、产品的质量以及生产的效率等。据不完全统计，目前在各种工业控制中，PID调节或基于PID调节的控制方式占90%。调节规律作为应用时间最长、生命力最强的控制方式，主要有以下优点：（1）原理简单，使用方便（2）适应性强（3）鲁棒性强。既然PID调节在工业控制中的地位如此重要，那么，PID的设计问题就显得颇为重要了。硬件电路设计方案控制器是一种

3、线性控制器。它根据给定值x(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)，即表示e(t)=x(t)?y(t)。将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为模拟PID调节器主要由三个部分组成，即P调节、I调节、D调节，当然，作为工业应用，还必须有输入、输出电路，手动调节电路，下面给出各部分电路的硬件设计方案。输入电路主要作用：获得偏差信号，并以VB＝10V为参考点进行电平迁移。分析：如图2所示，设A1为理想放大器，即输入阻抗无穷大，输出阻抗为零。给定信号与测量信号分别通过两对并联的输入

4、电阻R加到A1的正、反相输入端，其输出是以＝10V为基准的电压信号Vo1，它一方面作为微分电路的输入端，另一方面则取出Vo1/2通过反馈电阻R反馈至A1的反相输入端。根据基尔霍夫定律，可以很方便地推倒出如下式子：可以看出，输入电路不但实现了偏差放大，而且实现了电平移动。比例微分电路主要作用：以VB电平为基准的偏差信号V01，通过电路进行比例微分运算，再经比例放大后，其输出信号V02送给比例积分电路。分析：用运算法对电路进行分析。由于分压电阻（9.1k和1k）比RD小得多，计算时可只考虑其分压比（n）而不考虑其输出阻抗。这样，对运放同相输

5、入端，有上式中Id是电容CD的充电电流α令n=Kd（微分增益）；nRDCD=Td（微分时间）则：α比例积分电路主要作用：接收比例微分电路输出信号V02，进行PI运算，输出以VB为基准的1～信号V03给输出电路。比例积分电路分析：用运算法对电路进行分析。由于分压电阻（9.1k和1k）比RI小得多，计算时可只考虑其分压比（m）而不考虑其输出阻抗。这样，对运放反相输入端，手动操作电路手动操作电路是在PI电路中附加软手动操作电路和硬手动操作电路而成。软手动操作，是指调节器的输出电流与手动输入电压信号成积分关系；硬手动操作，是指调节器的输出电流与

6、手动输入电压信号成比例关系。在软手动时，软手动开关均处于开路状态，调节器输出电流不变，则为保持状态[1]。　　仿真分析结合仿真图，可以得出PID各环节对系统的影响如下：（1）比例环节对控制性能的影响比例增益Kp能及时地反映控制系统的偏差信号，系统一旦出现了偏差，比例环节立即产生调节作用，使系统偏差快速向减小的趋势变化。当比例增益Kp越大，PID控制器调节速度越快。但Kp不能太大，过大的比例增益会加大调节过程的超调量，从而降低系统的稳定性，甚至可能造成系统的不稳定。（2）积分环节对控制性能的影响积分环节可以消除系统稳态误差，提高系统的无差

7、度，以保证实现对设定值的无静差跟踪。假设系统己经达到闭环稳定状态，当且仅当e(t)=0时，控制器的输出才为常数。由此可见，只要被控系统存在动态误差，积分环节就产生作用。直到系统无差时，积分环节的输出为一个常值，积分作用停止。积分作用的强弱取决于积分时间常数iT的大小，iT越小，积分作用越强，反之则积分作用弱。积分作用的引入会使系统稳定性下降，动态响应变慢。在实际过程中，尤其对大滞后、慢时变对象，积分作用对超调量的贡献是很重要的。（3）微分环节对控制性能的影响微分环节的引入，主要是为了改善控制系统的响应速度和稳定性。微分作用反映的是系统偏

8、差的变化律，它可以预见偏差变化的趋势，具有超前的控制作用。换言之，微分作用能在偏差还没有形成之前，就将其消除。因此，微分作用可以改善系统的动态性能。微分作用反映的是变化率，当偏差没有变化时，微分环节的输出为