PI调节器课程设计.

1、湖南丈理学曉镌程役计掖告课程名称：色子技术课程设计专业班级：通信1 3 1 0 2班学号（4 3号）学生姓名：彭俊壽指导教师：戴正科完成时间： 2015年10月07目报告成绩：评闻意见：评阅教师目期湖南文理学院制摘要PI调节器适用于具有大惯性，大滞后特性的被控对象。如锅炉温度控制，风力发电机 功率控制等。PI控制是最实用化的控制方式，它是一项流行的线性控制策略，它是对偏差 信号e(t)进行比例、积分、微分运算变换后形成的一种控制规律，基本思想是“利用偏差、 消除偏差”。本次课程设计主要设计了传感器与测控电路中的相应电路(包括调制解调电 路、放大电路、细分电路等)。对PI调节器的输入电路，比例积

2、分电路，比例微分电路， 输出电路的参数进行了设定，详细介绍了各个电路对PI控制器性能影响。PI调节器设计报告设计题目PI调节器设计报告二设计要求1选择合适的传感器和放大电路；2设计调制和解调电路；3设计具有比列积分功能的电路；4设计信号输入和输岀电路；三、设计作用与目的1设计一个PI调节器电路满足设计要求。2加深对理论知识的理解和掌握。四、系统设计方案1.总体结构及工作流程框图对压力传感器是施加适当大小的压力，压力传感器可以把压力转换成毫伏级 的差模电压信号。因为传感器输出的信号很小，所以得进行放大。因为放大的信 号除测量信号外，还往往有各种噪声，为了便于区别信号与噪声，往往给测量信 号赋予一

3、定的特征，这就需要调制电路。带通滤波器是一个允许特定频段的波通 过，可以滤去高频信号和低频信号。将滤出的信号输入解调电路进行解调，从而 得到需要的信号。然后将信号输入PI调节器的设计电路，分别经过输入电路， 比例微分电路、比例积分电路和输出电路。取出输出电路输出的信号，将其反馈 到输入电路，与给定的信号进行比较，使得偏差曲）尽可能的小。其工作流程图 如下：图1模拟PI调ij器设汁流程图五、系统硬件设计1、硬件模块组成（1）MPX2100压阻式压力传感器（2）基本差动放大电路（3）开关电路（4）有源带通滤波器电路（5）全波精密检波电路六、系统软件设计1. 1传感器的选择MPX2100半导体压力传

4、感器可以把压力转换成毫伏级的电压信号，该压力传感器具有 良好的线性度，它的输出电圧与所加圧力成精确的正比例关系。另外，MPX2100所具有的 温度补偿特性克服了半导体压力敬感器件存在温度漂移问题，因而具有广阔的应用前景。MPX2100是一种压阻式压力传感器，在硅基片上用扩散工艺制成4个电阻阻值相等的 + 12V应变元件构成惠斯顿电桥。电桥有恒丿I早京供电和恒流源供电两种供电方式。采用恒压源供 电的原理图如图所示.R+ARR-ARR-ARR+AR图2釆用恒压源控制的原理图当压力传感器受到压力作用时，一对桥臂的电阻值增大压，另一对桥臂的电阻值减少 氏 电阻变化量&与压力成正比，即俚二KP,电桥输出

5、电压U+打心 上式中Id是电容6D的充电电流R +丄=1 + /：5认） 3代入上式得:对于运放的反相输入端有:认为运放为理想运放，则:%（s）=#芋等学4乙（s）ii 1 + rdcds令n = Kd （微分增益）；冰心予（微分时间）贝9：%2（S）=-Uoi（s）4、比例积分电路主要作用：接收比例微分电路输出信号2,进行PI运算，输出以匕为基准的15V信号Wo3给输出电路。分析：用运算法对电路进行分析。由于分压电阻（9.1k和lk）比心小得多，计算时可只 考虑其分压比（同 而不考虑其输出阻抗。这样，对运放反相输入端，有：匕 2（$）-匕（$） + 匕-匕卩）+ %（$）-/） = 1R,1

6、CsCm s设伪运放的开环增益，贝IJ：G/ L mi R, C/S1+斗+2kL cj1+KR Cm s匕3“）匕 2（s）由于K0上式可化简为:J1/1 +匕3（$） _ GwmRi C S匕 2（s）!_1卜KRsk c设K二也为积分增益；7； =rnRlCl为积分时间，贝IJ： m Ct（、1 + 匕32）_ 5 _亘匕2） G +丄5、输出电路主要作用：将PI运算后的以10V为基准的15VDC信号转换为以电源地为基准的420mADC电流信号，并保持恒流特性。图中元件参数满足仏=& = 10K & = R2 = 4/?3Vo3图11输出电路分析：按理想运放分析，同相输入端电压为：K.

7、= 24x/?.+V =lvz/+-e24(6)7R2+R35 b 5分析反相输入端，有：匕一匕_匕一匕3-叫_匕一匕3-叫Ra&4R3匕=取/+(匕+匕J令(6) (7)两式相等，得24-匕 3“。从电路图上可得5=24-1宓厂 则有：/ -厂上4Rt令匕=62.5。则当匕3=15U时，输出电流人=4 20niA根据以上分析，PI的传递函数可以表示为:(1+丄人($)_ 夂 C/ . l + /S . TjS . 1匕(s)匕(可一石 i + 2ks 1 12506、总电路分析如下图所示，PI调节器设计电路是由输入电路，比例微分电路，比例积分电路，执 行部件组成，通过上面的分析和公式我们可以

8、得到各个环节对电路性能的影响。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。当比例增益尺卩越大，PI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 )二0时，控制器的输出才为常 数。山此可见，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

9、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人的大小, 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，微分环节的输出为零。微分作用的强弱取 决于微分时间

10、的大小，匚越大，微分作用越强，反之则越弱。在微分作用合适的情况 下，系统的超调量和调节时间可以被有效的减小。微分作用对噪声干扰有放大作用，所以 我们不能过强地增加微分调节，否则会对控制系统抗干扰产生不利的影响。当然，PI调节 电路也存在一定的局限性。常规PI控制是建立在知道被控对象精确的数学模型的基础之 上，只要调试整定好PI控制器参数KK，Kd后，便可投入生产运行，具有结构简单、稳 定性能好、可靠性高、其控制原理与控制技术己完善成熟，且为现场工作人员和设计工程 师们所熟悉等优点，但在实际工业过程控制中却存在这样的情况：(1) 许多被控过程机理较复朵，具有非线性、慢时变、纯滞后等特点，这样就很

11、难 得到确切的描述这些过程的传递函数或状态方程。(2) 在噪声、负载扰动和其他一些环境条件变化的影响下，过程参数会发生变化。 采用常规PI控制器，以一组固定不变的PI参数去适应参数变化、干扰等众多的变化因素， 显然难以获得满意的控制效果。当参数变化超过一定的范圉时，系统性能就会明显变差， 致使PI控制难以发挥作用而无法适用。八、设计中的问题及解决方法1、缺乏相关专业知识，对PI调节器不了解，为此我查阅了大量的资料，学习了 相关知识再进行实验。2、对仿真软件使用不熟练，我请教了很多会使用的同学教我使用。九、学习心得通过本次课程设计，使我学到了许多书本上无法学到的知识，这次课程设计历时 两周，从最

12、开始的选题，查阅与题LI相关的技术资料，到后来的分析电路，每一步都 有很大的收获，通过做这次课程设讣，将电路中一些知识系统地综合起来，将理论知 识与实际的项LI相结合，可以更好地理解测控电路。通过对PI调节器各硬件电路的 分析，得出了 PI调节方式的优点，即：(1)原理简单，使用方便(2)适应性强等。 作为在工业控制中最常用的控制方式，模拟PI调节器具有强大的生命力，并逐渐发 展出许多基于PI的其它先进的控制方式，例如：模糊免疫PI控制、模糊自适应整定 PI控制、专家PI控制等等，应该说对该种调节方式的研究已经到了成熟的阶段，现 行的各种算法已经可以满足工业控制的需要。但是，对于一些特殊的行业，例如军事 工业、航天工业等，则需要一些复杂的算法才能满足控制的需要。十、参考文献1、崔建明电路与电子技术的MultisimlO.O仿真中国水利水电出版社 20092、童诗白.模拟电子技术基础高等教育出版社 20063、刘康礼李伟.模拟PID调节器设计及数字化实现.江苏 徐州.