模拟电路PID调节器综述.docx

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模拟电路PID调节器综述

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

一、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

二、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）之间的关系在时域中可用公式表示如下：

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、

积分时间常数、

为微分时间常数。

式又可表示为：

公式中

和

分别为

和

的拉氏变换，

，

。

、

、

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。

设

由图可知

在对上式进行拉氏反变换，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

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

分析：

根据“虚短”和“虚断”的原则，

输出电压U等于R上电压u和C上电压u之和，而

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.R3

0—5k可调

3

C1.C2.C3

10微法

3

集成块

uA741

1

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：

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：

六、性能测试与分析:

（一）当输入为正弦信号：

1、R1=5KΏR2=2.5KΏC1=C2=10μFf=10HZV=3v

从图中分析可知：

输出与输入的关系符合比例关系。

2、R1=2.5KΏR2=2.5KΏC1=C2=10μFf=10HZV=3v

从图中分析可知：

输出与输入的关系符合积分关系。

3、R1=2.5KΏR2=2.5KΏC1=C2=10μFf=10HZV=3v

从图中分析可知：

输出与输入的关系符合微分关系。

4、R1=2.5KΏR2=2.5KΏC1=C2=10mFf=10HZV=3v

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=2.5KΏR2=2.5KΏC1=C2=10μFf=10HZV=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：

1、R1=5KΏR2=2.5KΏC1=C2=10μFf=10HZV=3v

从图中分析可知：

输出与输入的关系符合比例关系。

2、R1=2.5KΏR2=2.5KΏC1=C2=10μFf=10HZV=3v

从图中分析可知：

输出与输入的关系符合积分关系。

3、R1=5KΏR2=2.5KΏC1=C2=10μFf=10HZV=3v

从图中分析可知：

输出与输入的关系符合微分关系。

4、R1=2.5KΏR2=2.5KΏC1=C2=10μFf=10HZV=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=2.5KΏR2=2.5KΏC1=C2=10μFf=10HZV=3v

从图中分析可知：

输出与输入的关系符合比例微分关系。

（三）、当输入为方波信号

1、R1=5KΏR2=2.5KΏC1=C2=10μFf=10HZV=3v

从图中分析可知：

输出与输入的关系符合比例关系。

2、R1=2.5KΏR2=2.5KΏC1=C2=10μFf=10HZV=3v

从图中分析可知：

输出与输入的关系符合积分关系。

3、R1=2.5KΏR2=2.5KΏC1=C2=10μFf=10HZV=3v

从图中分析可知：

输出与输入的关系符合微分关系。

4、R1=2.5KΏR2=2.5KΏC1=C2=10μFf=10HZV=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=2.5KΏR2=2.5KΏC1=C2=10μFf=10HZV=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法；并且学会了制作电路，熟练了电路焊接方法以及掌握调试方法与测试参数；同时还提高了我们的动手能力和测试技术能力。

八、参考文献

［１］童诗白、华成英《模拟电子技术基础》第三版

［２］http:

//bbs.ekv.cn/　　（　PID调节概念及基本原理--千伏网）

［３］李万成、谢红　《模拟电子技术基础实验与课程设计》

［４］王港元　　　《电工电子实践指导》