PID电路原理与在实验中的应用

1、PID电路原理及在实验中的应用Content 控制系统的特点 PID电路的特点 PID电路的应用（温控、电流源、及稳频） 总结 在科学实验和生产过程中，常常要使某些物理量（如速度、温度、电压、电流等）保持常量或按某种规律变化。要满足这些要求，就要对系统进行及时控制，以抵消外界的影响。用来作这种控制的设备称为控制器，被控制的设备称为控制对象。控制器和控制对象一起称为控制系统。要用自动控制代替人工控制，则自动控制系统中必须有三种机构以便代替调节人员在控制中的作用，它们是：（1）测量机构，用来测量被控量；（2）比较机构，用来比较被控量与给定值，得出误差；（3）执行机构，按照误差的性质作出控制动作。控

2、制系统的基本概念控制对象测量机构比较机构执行机构给定值控制系统的组成按设定值分为：恒值控制、程序控制和随动控制控制系统的分类按控制动作和时间的关系分为：连续控制系统和 采样控制系统我们实验中常用恒值控制。整个控制过程可以分为两个阶段：前一阶段的特点是由系统的稳定性和动态品质来标明，它代表系统的动特性；后阶段的特点则由相对稳态误差来标明，它代表系统的静特性。稳定性是控制系统正常工作的先决条件，也可以说是对控制系统的一个基本要求。过渡过程时间、振荡次数和超调量标志着系统的动态品质。同时相对稳态误差也是一个对控制系统的基本要求。 控制系统的要求延迟时间td 、上升时间tr、峰值时间tp、最大超调量M

3、p调节时间ts、稳态误差ess控制过程曲线比例电路RfVout= -Vi*Rf/RiR1=R/Rf稳态时输入输出比例确定。对阶跃信号的响应如下：RfRiR1ViVout比例响应积分电路RiR1ViVoutCiR1=Ri低频增益大，高频增益小。稳态时输入为0,输出为不确定值。对阶跃信号的响应如下：Voutt1VoutVidtRiCi 微分电路RfR1ViVoutCdfddViVoutR Cdt R1=Rf特点：低频增益小，高频增益大，主要在过渡过程中起作用。稳态时输出为0。对阶跃信号的响应如下：tVoutRRRRR1V1V2V3VoutR加法电路Vout = - (V1+V2+V3)R1=R/4

4、其控制算式为：VinVinVinPID电路示意图Set pointtPID控制器的算法中，比例环节反映系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用减少偏差，但比例环节不能消除稳态误差；积分环节用于消除静差，用以提高无差度；微分环节能反映偏差的变化趋势，并能在偏差信号变化最大前，在系统中引入一个早期修正信号，减小超调量，进而减小调节时间。PID电路的特点调整方法：系统工作在纯比例控制的工作状态下，逐渐增加比例系数，直至系统出现等辐振荡为止。这时的比例系数就是系统的临界比例系数Ku 。振荡周期就是临界振荡周期Tu 。在获得系统的临界比例系数Ku 和临界振荡周期Tu 后，按下表所列即

5、可确定PID和PI控制电路的参数: PID电路的调整PID电路应用举例（温控PID）OPAMPOPAMPVcc-VccOPAMPQ?PNP DARQ?NPN DARVcc-VccOUTPID电路应用举例（电流源PI）VccOut-Out+Vcc激光稳频及锁腔（PI）FP腔透射特性FP腔反射特性LaserFaraday isolator光电探测器FP cavityOptical isolatorPockels cellPI低通虑波乘法器（mixer）本地振荡器移相器Servo放大稳频系统结构图锁相放大器光电探测器输出信号我们感兴趣的是频率为的分量，即乘法器两输入端的信号分别为：refP和Ecos

6、t乘法器输出端的信号为：refPEcost220|(tan )cos()cos ()(2)cos()d Fconst EtEPtEtermtd20|cos()d FPtd20|(tan )cos()(2)refd FPconstPtdterm由公式：1cos()cos()cos()cos() 2tttt22200|1|cos ()1 cos(2)2d Fd FEPtEPtdd通过低通滤波器，可得到误差信号为201|2d FEPd由关系式：0/2csPPP2|csd FE PPd如右图所示：总结 在实际应用时，如果被控对象的惯量比较大，应采用PID控制；如被控制对象的惯量很小，用PI就可以满足要

7、求。 在科学实验和生产过程中，常常要使某些物理量（如速度、温度、电压、电流等）保持常量或按某种规律变化。要满足这些要求，就要对系统进行及时控制，以抵消外界的影响。用来作这种控制的设备称为控制器，被控制的设备称为控制对象。控制器和控制对象一起称为控制系统。要用自动控制代替人工控制，则自动控制系统中必须有三种机构以便代替调节人员在控制中的作用，它们是：（1）测量机构，用来测量被控量；（2）比较机构，用来比较被控量与给定值，得出误差；（3）执行机构，按照误差的性质作出控制动作。控制系统的基本概念延迟时间td 、上升时间tr、峰值时间tp、最大超调量Mp调节时间ts、稳态误差ess控制过程曲线微分电路RfR1ViVoutCdfddViVoutR C