pi調(diào)節(jié)器課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　課程名稱： 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 　　 </p><p>　　專業(yè)班級(jí)： 通信１３１０２班 學(xué)號(hào)（４３號(hào)）</p><p>　　學(xué)生姓名： 　　　　</p><p>　　指導(dǎo)教師：

2、 　 　</p><p>　　完成時(shí)間： 　　</p><p>　　報(bào)告成績(jī)： 　　</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　PI調(diào)節(jié)器適用于具有大慣性，大滯后特性的被控

3、對(duì)象。如鍋爐溫度控制，風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率控制等。PI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)PI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)PI控制器性能影響。</p>

4、;<p><b>　　PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)題目</b></p><p><b>　　PI調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　1選擇合適的傳感器和

5、放大電路；</p><p>　　2設(shè)計(jì)調(diào)制和解調(diào)電路；</p><p>　　3設(shè)計(jì)具有比列積分功能的電路；</p><p>　　4設(shè)計(jì)信號(hào)輸入和輸出電路；</p><p><b>　　三、設(shè)計(jì)作用與目的</b></p><p>　　1設(shè)計(jì)一個(gè)PI調(diào)節(jié)器電路滿足設(shè)計(jì)要求。</p>&l

6、t;p>　　2加深對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握。</p><p><b>　　四、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　總體結(jié)構(gòu)及工作流程框圖</p><p>　　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

7、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PI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：</p><p>　　圖1模擬PI調(diào)

8、節(jié)器設(shè)計(jì)流程圖</p><p><b>　　五、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　1、硬件模塊組成</b></p><p>　?。?）MPX2100壓阻式壓力傳感器</p><p>　　（2）基本差動(dòng)放大電路</p><p><b>　?。?）開(kāi)關(guān)電

9、路</b></p><p>　?。?）有源帶通濾波器電路</p><p>　　（5）全波精密檢波電路</p><p><b>　　六、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　1.1傳感器的選擇</b></p><p>　　MPX2100半導(dǎo)體壓力傳感器可

10、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。</p><p>　　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.&l

11、t;/p><p>　　圖2采用恒壓源控制的原理圖</p><p>　　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：</p><p>　　圖3傳感器輸出電壓與輸入壓力關(guān)系</p><p>　　1.2 放大電路的

12、選擇</p><p>　　1.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。</p><p>　　2.測(cè)量放大電路的選擇</p><p>　　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。</p>

13、<p>　　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。其電路圖如下：</p><p><b>　　令</b></p><p><b>　　所以，</b></p><p>

14、;　　圖4 基本差動(dòng)放大電路 </p><p>　　1.3調(diào)制電路的選擇</p><p>　　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

15、。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</p><p><b>　　圖5開(kāi)關(guān)調(diào)制電路</b></p><p><b>　　1.4 帶通濾波器</b></p><p>　　1.定義： 帶通濾波器是一個(gè)允許特定頻段的波通過(guò)

16、同時(shí)屏蔽其他頻段的設(shè)備。</p><p><b>　　2.工作原理：</b></p><p>　　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)

17、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：</p><p>　　（1）

18、 </p><p><b>　　（2）</b></p><p>　　3.帶通濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　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：</p><p><b>　　圖6 帶通濾波器</b></p><p&

19、gt;　　此多環(huán)有源帶通濾波器的特性參數(shù)如下</p><p>　?。?） </p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　設(shè)參數(shù)。將參數(shù)帶入下列計(jì)算

20、式 </p><p>　　得 帶入（1）（2）式：得</p><p><b>　　1.5解調(diào)電路</b></p><p>　　選用全波精密檢波電路取,在不加電容C時(shí)，的輸出為</p><p>　　圖7 全波精密檢波電路</p><p><b>　　2、

21、輸入電路</b></p><p>　　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。</p><p><b>　　圖8 輸入電路</b></p><p>　　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

22、＝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：</p><p><b>　　則有：</b></p><p>　　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)。</p><p><b>　　3、

23、比例微分電路</b></p><p>　　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。</p><p>　　圖9 比例微分電路</p><p>　　這樣，對(duì)運(yùn)放同相輸

24、入端，</p><p><b>　　有：</b></p><p>　　上式中Id 是電容CD 的充電電流 </p><p><b>　　代入上式得：</b></p><p>　　對(duì)于運(yùn)放的反相輸入端有：</p><p>　　認(rèn)為運(yùn)放為理想運(yùn)放，則：</p>&l

25、t;p>　　令（微分增益）；（微分時(shí)間）則：</p><p><b>　　4、比例積分電路</b></p><p>　　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。</p><p>　　圖10 比例積分電路</p><p>　　分析：用運(yùn)算法對(duì)電路進(jìn)行分析。由于分壓電

26、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：</p><p>　　設(shè)K為運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益，則：</p><p>　　由于，上式可化簡(jiǎn)為：</p><p>　　設(shè)為積分增益； 為積分時(shí)間，則：</p><p><b>　　5、 輸出電路 </b></p&g

27、t;<p>　　主要作用： 將PI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 </p><p><b>　　圖11 輸出電路</b></p><p>　　分析：按理想運(yùn)放分析，同相輸入端電壓為： </p><p&g

28、t;　?。?） </p><p>　　分析反相輸入端，有：</p><p>　?。?） </p><p>　　令(6)(7)兩式相等， 得</p><p><b>　　。</b></p><p><b>　　從電路圖上可得&l

29、t;/b></p><p><b>　　。</b></p><p><b>　　則有：</b></p><p>　　令 則當(dāng) 時(shí)， 輸出電流</p><p>　　根據(jù)以上分析，PI的傳遞函數(shù)可以表示為：</p><p><b>　　6、總電路分析</b

30、></p><p>　　如下圖所示，PI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。</p><p>　　1、比例環(huán)節(jié)對(duì)控制性能的影響</p><p>　　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

31、例增益越大，PI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。</p><p>　　2、積分環(huán)節(jié)對(duì)控制性能的影響</p><p>　　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)

32、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。</p><p>　　3、微分環(huán)節(jié)對(duì)控制性能的影響</p><p>　　微分環(huán)節(jié)的引入，主要是為了改善

33、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)

34、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，PI調(diào)節(jié)電路也存在一定的局限性。常規(guī)PI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PI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:</p><p>　?。?）許多被控過(guò)程機(jī)理較復(fù)雜，具有非線性、

35、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。</p><p>　?。?）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)PI控制器，以一組固定不變的PI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(guò)一定的范圍時(shí)，系統(tǒng)性能就會(huì)明顯變差，致使PI控制難以發(fā)揮作用而無(wú)法適用。</p><p>　　八

36、、設(shè)計(jì)中的問(wèn)題及解決方法</p><p>　　1、缺乏相關(guān)專業(yè)知識(shí)，對(duì)PＩ調(diào)節(jié)器不了解，為此我查閱了大量的資料，學(xué)習(xí)了相關(guān)知識(shí)再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　2、對(duì)仿真軟件使用不熟練，我請(qǐng)教了很多會(huì)使用的同學(xué)教我使用。</p><p><b>　　九、學(xué)習(xí)心得</b></p><p>　　通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，使我學(xué)到了許

37、多書本上無(wú)法學(xué)到的知識(shí),這次課程設(shè)計(jì)歷時(shí)兩周，從最開(kāi)始的選題，查閱與題目相關(guān)的技術(shù)資料，到后來(lái)的分析電路，每一步都有很大的收獲，通過(guò)做這次課程設(shè)計(jì)，將電路中一些知識(shí)系統(tǒng)地綜合起來(lái)，將理論知識(shí)與實(shí)際的項(xiàng)目相結(jié)合，可以更好地理解測(cè)控電路。 通過(guò)對(duì) PI調(diào)節(jié)器各硬件電路的分析，得出了PI調(diào)節(jié)方式的優(yōu)點(diǎn)，即：（1）原理簡(jiǎn)單，使用方便（2）適應(yīng)性強(qiáng)等。作為在工業(yè)控制中最常用的控制方式，模擬PI調(diào)節(jié)器具有強(qiáng)大的生命力，并逐漸發(fā)展出許多基于PI的其它

38、先進(jìn)的控制方式，例如: 模糊免疫PI控制、模糊自適應(yīng)整定PI控制、專家PI控制等等，應(yīng)該說(shuō)對(duì)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(duì)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。</p><p><b>　　十、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1、崔建明﹒電路與電子技術(shù)的Mul

39、tisim10.0仿真﹒中國(guó)水利水電出版社﹒2009</p><p>　　2、童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)﹒高等教育出版社﹒2006</p><p>　　3、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).江蘇 徐州.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院.2010年 </p><p>　　4、廖常初.PID參數(shù)的意義與整定方法.重慶大學(xué).2010

40、年第5期 </p><p>　　5、張國(guó)雄. 《測(cè)控電路》. 機(jī)械工業(yè)出版社. 2011</p><p>　　6、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?？茖W(xué)校學(xué)報(bào). 2007年第05期.</p><p>　　7、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).2010</p><p>