模拟电路PID调节器要点

1、实验开放课题结题报告设计课题：PID 调节器的设计专业班级：04电子科学与技术学生姓名：骆炳福 何青丽冯立平指导教师：曾祥华设计时间：2006年8月10日题目：PID调节器的设计、设计任务与要求1 .设计一个负反馈放大电路2 .能实现比例运算电路、积分电路和微分电路的功能、方案设计与论证设计一个PID调节器，PID控制器就是根据系统的误差利用比例积分微分计 算出控制量，比例积分微分（PID）控制包含比例（P）、积分（I）、微分（D） 三部分，实际中也有PI和PD控制器。上图中给出了一个PID控制的结构图，控制器输出和控制器输入（误差）之 问的关系在时域中可用公式表示如下：“二0侬。+4 + 4

2、公式中）表示误差、控制器的输入，,）是控制器的输出，为比例 系数、1d积分时间常数、4为微分时间常数。式又可表示为:公式中U（。和E3分别为四）和e。）的拉氏变换， 3降匕T=K /K K k U（s） = （Kp+ + KdS）E（Kl - a，4。仁、j、1sK分别为控制器的比例、积分、微分系数。三、单元电路设计与参数计算分析：上面电路中的输入支路和反馈支路中都有电阻、电容元件，因此直接在时域里求出输出与输入的关系比较困难。如果先在 S域里求出电路的传递函数（即输出与输入的关系），再利用拉氏反变换得到时域里的输出与输入的关系, 这样就比较容易些。1D=4 / =i设ej喘由图可知在对上式进

3、行拉氏反变换，因S表示微分，1/S表示积分。S 一次方表示微分一 次，二次方表示微分两次，S负一次方表示积分一次，负两次方表示积分两次。 因此式中的第一、 第二项表示比例运算，第三项表示微分运算，第四项表示积 分运算，所以U。一备+务%-叼，唳忌M上述电路的输出输入关系为比例-积分-微分运算，又称为PID运算。在自动控制 系统中经常用作为PID调节器。四、总原理图及元器件清单Ui分析:根据“虚短”和“虚断”的原则，根据 up = u n =0N点的电流方程为 i(f-i(1)+i(c1)icidui1R1输出电压U等于R上电压u和C上电压u之和，而U r2-R -1 - R2C1号9U c2

4、= i dt = C 1 dudtdt u1dt C 2C 2 dt R1C 11=u 1 u 1dtC 2 R1C 2所以U0 一詈 tiU1-R2C1dul-dC7 udt因为电路中含有比例、积分、微分运算，故称之为 PID调节器。当R=0时, 电路只有比例和积分运算部分，称之为 PI调节器；当C=0时，电路只有比例和 微分运算部分，称之为PD调节器；根据控制中的不同需要，采用不同的调节器元件清单元件序号型号主要参数数量备注R1.R2.R305k可调3C1.C2.C310微法3集成块uA7411所需主要仪器设备等实验条件仪器设备名称需进入实验室名称实验材料双踪示波器模拟电路uA741低频信

5、号发生器电阻、电容若干晶体管毫伏表、万用表万能板等电路板制作工具五、安装与调试根据电路图用电烙铁焊接上各个元器件，焊接完毕后检查各连线。当R=0时,电路只有比例和积分运算部分，称之为 PI调节器，输出电压和输入电压的关系式为：U 0 = 一磊+瑞9小“dt当C=0时，电路只有比例和微分运算部分，称之为PD调节器，输出电压和输入电压的关系式为：U 0 =R R(2) C -c du-U - R(2C二、RC(2)Jdt六、性能测试与分析：（一）当输入为正弦信号:1、R1=5K? R2=2.5 K? C1=C2=10 F f=10HZ V=3vR31.25k Ohm双踪示波器Tirfegiiw i

6、1 . ? 4 14正弓mV-4 =679小Q|01口.4T211.?-.白石中DWQ .0电q43n-Ti从图中分析可知：输出与输入的关系符合比例关系2、R1=2.5K? R2=2.5 K? C1=C2=10 F f=10HZ V=3v从图中分析可知：输出与输入的关系符合积分关系。3、R1=2.5K? R2=2.5 K? C1=C2=10 F f=10HZ V=3v WuMWli辽新求分从图中分析可知：输出与输入的关系符合微分关系4、R1=2.5K? R2=2.5 K? C1=C2=10mF f=10HZ V=3vT2-T1VBJ-VBl写S.nE5.5913 UTime baselom.枷

7、-X pojitioini I-Charwnel 月I 鼻 wonY pofhjon |相113 a Di dcIchannel 0Reduct fEavfirsaTnggsr Edg*iLevl1口.40目Al Brt从图中分析可知：输出与输入的关系符合正弦比例关系。5、R1=2.5K? R2=2.5 K? C1=C2=10 F f=10HZ V=3v从图中分析可知：输出与输入的关系符合比例微分关系。（二）、当输入为三角波:R1=5K? R2=2.5 K? C1=C2=10 F f=10HZ V=3v2、从图中分析可知：输出与输入的关系符合比例关系R1=2.5K? R2=2.5 K? C1=

8、C2=10 F f=10HZ V=3v从图中分析可知：输出与输入的关系符合积分关系113、R1=5K?R2=2.5 K? C1=C2=10 F f=10HZ V=3v13从图中分析可知：输出与输入的关系符合微分关系4、 R1=2.5K?R2=2.5 K? C1=C2=10 F f=10HZ V=3v6 5 . O OS -2 . Q 4 Q Ti-TITnggarLau.il | 口皿| B| EwtChMIII-IMl 日I 5 V/DkiY p口工rtiwn |卜？ OPAC | DChannvil q2. VDU poKitiDn |-d _gj Ml从图中分析可知：输出与输入的关系符合

9、比例积分关系5、R1=2.5K? R2=2.5 K? C1=C2=10 F f=10HZ V=3v482 C 产量一 T4 1 - *21Tim* bac*t po.hJn门 f-r后Chariri*l 4 - 3*0 hiyswTi-Tl pw3ivri1-33Sum-*从图中分析可知：输出与输入的关系符合比例微分关系1、R1=5K?R2=2.5 K? C1=C2=10 F f=10HZ V=3v2、1WI -Channw 尸/甘hi /TIe- 回e工南. X |4-VH4Fi 04 | Mi从图中分析可知：输出与输入的关系符合比例关系0 0a n0TWi/Kr Edg*neBB 0 4守

10、b IC we-TimeI 口3:11田GX| Z. I口 一&/ I REugCMnntf A h.Mwn | 1.1EQa D DCCr-aririi 曲从图中分析可知：输出与输入的关系符合积分关系3、R1=2.5K? R2=2.5 K? C1=C2=10 F f=10HZ V=3v从图中分析可知：输出与输入的关系符合微分关系4、R1=2.5K? R2=2.5 K? C1=C2=10 F f=10HZ V=3v从图中分析可知：输出与输入的关系符合比例积分关系5、R1=2.5K? R2=2.5 K? C1=C2=10 F f=10HZ V=3v从图中分析可知：输出与输入的关系符合比例微分关系。七、结论与心得通过这次开放性实验，使我们比较深入地掌握了负反馈放大电路的设计方法， 以及比例运算电路、微分电路和积分电路的设计方