PI调节器课程设计DOC

湖南文理学院湖南文理学院 课程设计报告课程设计报告 课程名称 电子技术课程设计 专业班级 通信 班 学号 号 学生姓名 彭俊嘉 指导教师 戴正科 完成时间 年 月 日 报告成绩 湖南文理学院制 评阅意见 评阅教师 日期 摘要摘要 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 PIPI 调节器调节器设设计计报报告告 一 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 设计信号输入和输出电路 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 使得偏差尽可能的小 te 其工作流程图如下 带通滤波器放大电路调制电路解调电路 te 比例 积分 微分 输出电路 压力传感器 图 1 模拟 PI 调节器设计流程图 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 它的输出电压与所加压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敏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 的应变元件构成惠斯顿电桥 电桥有恒压源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 图 2 采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 R 另一对桥臂的电阻值减 少 R 电阻变化量 R 与压力成正比 即 R KP 电桥输出电压 PREKRREUo 即电桥输出电压与压力 P 成正比 如下图所示 图 3 传感器输出电压与输入压力关系 1 2 放大电路的选择 1 定义 在测量控制系统中 用来放大传感器输出的微弱电压 电流或电荷信号的 R RR R R RR R 12V 电路称为测量放大电路 2 测量放大电路的选择 测量放大电路的结构形式是由传感器的类型决定的 例如 电阻应变式传感器通过 电桥转换电路输出信号 并且用差动放大器进一步放大 因此电桥放大电路就是其测量 放大电路 差动放大电路是把两个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相输入端 然后 在输出两个信号的差模信号 而尽量抑制两个信号的共模成分的电路 采用差动放大电 路 有利于抑制共模干扰和减小温度漂移 其电路图如下 12 1 2 0 ii UU R R U 令 12 100RR 所以 120 100 ii UUU 图 4 基本差动放大电路 1 3 调制电路的选择 R1 R3 R2 R4 12 Ui1 Ui2 Uo 选用开关电路进行调制 在输入端加入调制信号 是两个场效应晶体管 x u 21 VV 工作在开关状态 在它们的栅极分别加入高频载波方波信号 当为高电平 c U c U c U 为低电平时 V1 导通 V2 截止 若 V1 V2 为理想开关 输出电压 当为 c U X uuo c U 低电平 为高电平时 V1 截止 V2 导通 输出为零 经过调制与幅值按 0 1 变化 c U x u 的载波信号相乘 归一化的方波正弦载波信号按傅里叶级数展开后可写 tttK ccc 3sin 3 2 sin 2 2 1 1 V 图 5 开关调制电路 1 4 带通滤波器 1 定义 带通滤波器是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备 2 工作原理 带通滤波器是一个允许特定频段的波通过同时屏蔽其他频段的设备 比如 RLC 振荡 回路就是一个模拟带通滤波器 一个理想的带通滤波器应该有平稳的通带 bandpass 允许通过的频带 同时限制所有通带外频率的波通过 但是实际上 没有真正意义的 理想带通滤波器 真实的滤波器无法完全过滤掉所设计的通带之外的频率信号 在理想通 V 1 V 2 UxUo Uc U c 带边界有一部分频率衰减的区域 不能完全过滤 这一曲线被称做滚降斜率 roll off 滚降斜率 通常用 dB 度量来表示频率的衰减程度 一般情况下 滤波器的设计就是把这 一衰减区域做的尽可能的窄 以便该滤波器能最大限度接近完美 通带的设计与带通滤 波器的中心频率和带宽 BW 之间的关系为 0 f 1 LH ff f BW f Q 00 2 LH fff 0 3 带通滤波器的设计 带通滤波器的电路形式有很多 这里以有源带通滤波器电路为例 如下图 图 6 带通滤波器 此多环有源带通滤波器的特性参数如下 3 3 4 2 1 0 1 1 C C R R G 4 21435 0 111 RRCCR R1 R2 R5 C4 C3 VCC VCC Uo s Ui s 5 Q 1 设参数 将参数带入下列计算式FCCCG 1 102 5 0 4 43 3 00 CG R 00 1 1 CG R 00 2 2 1 2 1 C R 0 5 2 得 带入 1 2 式 得 94 639 618 79 618 79 2 521 RRRQ LH ff 3 10 2 LH ff 3 10 HZfHZf LH 78 780 28078 1 1 5 解调电路 选用全波精密检波电路取 在不加电容 C 时 的输出为 3321 2RRRR 2 N 2 3 4s Ao u u R R u AR N2 R2 R2 R1 R3 R3 R4 V D1 V D2 C N1 Us Uo V CC V CC V CC V CC Us UA UA 图 7 全波精密检波电路 2 输入电路 主要作用 获得偏差信号 并以 10V 为参考点进行电平迁移 b V 图 8 输入电路 分析 如图 8 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 b V 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 R VVV R V R VV BoF FFi 1 2 1 0 R VV R VV R V BTTST 0 则有 iSO VVV 2 1 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 R R R R R Ro Ro R V b V i V s V CC V CC V o1 T F 3 比例微分电路 主要作用 以电平为基准的偏差信号 通过电路进行比例微分运算 再经比放大后 b V1Vo 其输出信号 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2Vo 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 图 9 比例微分电路 这样 对运放同相输入端 有 Dd SO ST RI n V V 1 上式中Id 是电容CD 的充电电流 SO DD D D D So d V sCR sC n n sC R V n n I 1 1 1 1 1 1 代入上式得 sV SCR SCnR n SV O DD DD T1 1 11 对于运放的反相输入端有 9 1K 1K RD CD Rp V b V CC V CC A2 V o1 V o2 1 a sV a sV oF2 1 认为运放为理想运放 则 sV SCR SCnR n a SV O DD DD 102 1 1 令 微分增益 微分时间 则 d Kn dDD TCnR sV s K T sT K a SV O d d d d 102 1 1 4 比例积分电路 主要作用 接收比例微分电路输出信号 进行PI 运算 输出以为基准的1 5V信2Vo b V 号给输出电路 3Vo 图10 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 比小得多 计算时可只 I R 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 有 9 1K 1K R1 V T 1 C1 CM F T A3 V o2 V o3 V b V CC V CC 0 11 322 sC sVsV R sVmV sC sVsV M Fo I FO I Fo 设K为运放的开环增益 则 sKVsV Fo 3 sCKRC C K sCmRC C sV sV MIM I IIM I o o 1 1 1 1 1 1 2 3 由于 上式可化简为 5 10 K sCKR sCmRC C sV sV MI IIM I o o 1 1 1 1 2 3 设为积分增益 为积分时间 则 I M i C C m k K IIi CmRT sTK sT C C sV sV ii i M I o o 1 1 1 1 2 3 5 输出电路 主要作用 将PI运算后的以10V为基准的1 5VDC信号转换为以电源地为基准的 4 20mADC电流信号 并保持恒流特性 图中元件参数满足 KRR10 43 321 4RRR O I 图11 输出电路 分析 按理想运放分析 同相输入端电压为 6 24 5 4 5 124 2 32 BB B T VVR RR V V 分析反相输入端 有 3 3 1 3 4 4R VVV R VVV R VV BoFBoF Ff 7 3 5 1 5 4 oBfF VVVV 令 6 7 两式相等 得 424 3of VV 从电路图上可得 fof RIV 24 则有 f o oo R V II 4 3 R1 R2 R3 R4 Rf RL Vb A VCC VCC V V A4 VT1 VT2 Io 4 20m A Vf T F Ib If 24v Vo3 令 则当 时 输出电流 5 62 f RVVo5 1 3 mAIo20 4 根据以上分析 PI的传递函数可以表示为 250 1 1 1 1 1 1 12 sKT sT S K T ST C C n a sVsV sI ii i d d d M I si o 6 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 p K 立即产生调节作用 使系统偏差快速向减小的趋势变化 当比例增益越大 PI控制器 p K 调节速度越快 但不能太大 过大的比例增益会加大调节过程的超调量 从而降低系 p K 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 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的 i T 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 i T 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的大小 越大 微分作用越强 反之则越弱 在微分作用合适 d T d T 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控制器参数后 便可投入生产运行 具有结 dip KKK 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杂 具有非线性 慢时变 纯滞后等特点 这样就很 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围时 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 P 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 从最开始的选题