模拟PID调节器设计
第章 引言
PIDProportionalIntegralDerivational缩写分指例积分微分工业程控制发展史PID控制历史悠久生命力强控制方式迄通控制方法PID控制简单清晰结构良鲁棒性广泛适范围 深受工业界青睐日益受控制理界重视美日等工业发达国家采高级控制技术回路占例9O 控制回路基采PID控制器外PID控制3O年代末开始十年发展模拟PID控制器发展数字PID控制器改善性继出现非线性PID控制选择性(PID—PD)控制IPD控制种适应PID控制算法等
PID 控制器长期应中已积累丰富验然 PID控制器否效发挥方面PID控制器结构设计关方面参数整定关系特工业程控制中控象结构参数完全掌握精确数学模型时控制理技术难应时系统控制器结构参数必须验现场调试确定时应PID技术方便着科学技术发展控象动稳态性求越越高常规PID控制器满足求长时间探索研究PID控制智化适应化优化方发展趋势已明显事实
第二章 摘
PID控制实化控制方式项流行线性控制策略偏差信号e(t)进行例积分微分运算变换形成种控制规律基思想利偏差消偏差PID控制已证明种控制模式产品已工程实际中广泛应PID控制器问世已70年历史结构简单稳定性工作调整方便成工业控制技术控象结构参数完全掌握精确数学模型时控制理技术难采时系统控制器结构参数必须验现场调试确定时应PID控制技术方便完全解系统控象通效测量手段获系统参数时适合PID控制技术PID控制实际中PIPD控制PID控制器根系统误差利例积分微分计算出控制量进行控制文设计传感器测控电路中相应电路(包括调制解调电路放电路细分电路等)PID调节器输入电路例积分电路例微分电路输出电路参数进行设定详细介绍电路PID控制器性影响
2关键字：PID控制器例微分调制解调
第三章 PID控制器发展
31历史发展：
PID控制技术发展分两阶段20世纪30年代晚期微分控制加入标志着PID控制成种标准结构PID控制两发展阶段分水岭第阶段发明阶段( 1900 ～1940 )PID控制思想逐渐明确气动反馈放器发明仪表工业重心放实际PID 控制器结构设计1940年第二阶段——革新阶段革新阶段 PID 控制器已发展成种鲁棒易应控制器仪表工业重心PID控制技术工业技术新发展气动控制电气控制电子控制数字控制 PID 控制器体积逐渐缩性断提高处世界领先位动化仪表公司PID控制器早期发展做出重贡献甚说PID控制器完全实际工业应中发明逐步完善起
32 现状评估：
PID控制应广泛种实控制器种现代控制技术出现没削弱PID控制器应相反新技术出现PID控制技术发展起推动作方面种新控制思想断应PID控制器设计中者新控制思想设计出具PID结构新控制器PID控制技术注入新活力方面某新控制技术发展求更精确PID控制刺激PID控制器设计参数整定技术发展实际生产现场中受参数整定方法烦杂困扰常规PID控制器参数整定良性欠佳运行工况适应性差针问题长期直寻求PID控制器参数动整定技术适应复杂工况高指标控制求面详细说明模拟PID调节器参数整定
33研究趋势
①单入单出控象需研究针稳定象控程存较干扰情况PID参数整定方法初始化抗干扰鲁棒性方面进步增强少量程信息较简单操作较完成整定
②入出控象需研究针具显著耦合变量程变量PID参数整定方法进步完善分散继电反馈方法减少需先验信息量易线整定
③智PID控制技术进步研究适应整定增益计划设定机结合具动诊断功结合专家验知识直觉推理逻辑等专家系统思想方法原PID控制器设计思想整定方法进行改进
第四章 模拟PID调节器设计
41模拟PID调节器设计流程图
压力传感器施加适压力压力传感器压力转换成毫伏级差模电压信号传感器输出信号进行放放信号测量信号外种噪声便区信号噪声测量信号赋予定特征需调制电路带通滤波器允许特定频段波通滤高频信号低频信号滤出信号输入解调电路进行解调需信号然信号输入PID调节器设计电路分输入电路例微分电路例积分电路输出电路取出输出电路输出信号反馈输入电路定信号进行较偏差工作流程图：
带通滤波器
放电路
调制电路
解调电路
例
积分
微分
输出电路
压力传感器
图41模拟PID调节器设计流程图
411传感器选择
MPX2100半导体压力传感器压力转换成毫伏级电压信号该压力传感器具良线性度输出电压加压力成精确正例关系外MPX2100具温度补偿特性克服半导体压力敏感器件存温度漂移问题具广阔应前景
1 工作原理
MPX2100种压阻式压力传感器硅基片扩散工艺制成 4电阻阻值相等应变元件构成惠斯顿电桥电桥恒压源供电恒流源供电两种供电方式采恒压源供电原理图图 1示
图42采恒压源控制原理图
压力传感器受压力作时桥臂电阻值增∆R桥臂电阻值减少∆R电阻变化量∆R压力成正 ∆RKP电桥输出电压电桥输出电压压力 P成正图示：
图43传感器输出电压输入压力关系
412 放电路选择
4121定义：测量控制系统中放传感器输出微弱电压电流电荷信号电路称测量放电路
4122测量放电路选择
测量放电路结构形式传感器类型决定例电阻应变式传感器通电桥转换电路输出信号差动放器进步放电桥放电路测量放电路
差动放电路两输入信号分输入运算放器相反相输入端然输出两信号差模信号量抑制两信号模成分电路采差动放电路利抑制模干扰减温度漂移电路图：
令
图44 基差动放电路
413调制电路选择
选开关电路进行调制输入端加入调制信号 两场效应晶体工作开关状态栅极分加入高频载波方波信号高电低电时V1导通V2截止V1V2理想开关输出电压低电高电时V1截止V2导通输出零调制幅值01变化载波信号相化方波正弦载波信号傅里叶级数展开写
图45开关调制电路
414 带通滤波器
4141定义
带通滤波器允许特定频段波通时屏蔽频段设备
4142工作原理
带通滤波器允许特定频段波通时屏蔽频段设备 RLC振荡回路模拟带通滤波器 理想带通滤波器应该稳通带（bandpass允许通频带）时限制通带外频率波通 实际没真正意义理想带通滤波器 真实滤波器法完全滤掉设计通带外频率信号理想通带边界部分频率衰减区域完全滤曲线称做滚降斜率(rolloff) 滚降斜率通常dB度量表示频率衰减程度 般情况滤波器设计衰减区域做窄便该滤波器限度接完美通带设计带通滤波器中心频率带宽 BW 间关系：
（41）
（42）
4143带通滤波器设计
带通滤波器电路形式里源带通滤波器电路例图：
图46带通滤波器
环源带通滤波器特性参数
（43）
（44）
（45）
设定参数 参数带入列计算式
带入（41）（42）式：
415解调电路
选全波精密检波电路取加电容C时输出
图47全波精密检波电路
42 输入电路
作：获偏差信号＝10V 参考点进行电迁移
图48输入电路
分析：图48 示设A1 理想放器输入阻抗穷输出阻抗零定信号测量信号分通两联输入电阻R 加A1 正反相输入端输出＝10V 基准电压信号Vo1方面作微分电路输入端方面取出Vo12 通反馈电阻R 反馈A1 反相输入端根基尔霍夫定律方便推倒出式子：
：
出输入电路实现偏差放实现电移动
43例微分电路
作：电基准偏差信号通电路进行例微分运算放输出信号 送例积分电路分析：运算法电路进行分析分压电阻（91k 1k）RD 计算时考虑分压（n）考虑输出阻抗
图49例微分电路
样运放相输入端
：
式中Id 电容CD 充电电流
代入式：
运放反相输入端：
认运放理想运放：
令（微分增益）（微分时间）：
44例积分电路
作：接收例微分电路输出信号进行PI 运算输出基准1～5V信号输出电路
图410例积分电路
分析：运算法电路进行分析分压电阻（91k 1k）计算时考虑分压（m）考虑输出阻抗样运放反相输入端：
设K运放开环增益：
式化简：
设积分增益 积分时间：
45 输出电路
作： PID运算10V基准1～5VDC信号转换电源基准4～20mADC电流信号保持恒流特性图中元件参数满足
图411输出电路
分析：理想运放分析相输入端电压：
（46）
分析反相输入端：
（47）
令(46)(47)两式相等
电路图
：
令 时 输出电流
根分析PID 传递函数表示：
第五章 电路图
图示PID调节器设计电路输入电路例微分电路例积分电路执行部件组成通面分析公式环节电路性影响
图51模拟PID调节器
51例环节控制性影响
例增益时反映控制系统偏差信号系统旦出现偏差例环节立产生调节作系统偏差快速减趋势变化例增益越PID 控制器调节速度越快太例增益会加调节程超调量降低系统稳定性甚造成系统稳定
52积分环节控制性影响
积分环节消系统稳态误差提高系统差度保证实现设定值静差踪假设系统达闭环稳定状态仅e (t ) 0时控制器输出常数见控系统存动态误差积分环节产生作直系统差时积分环节输出常值积分作停止积分作强弱取决积分时间常数越积分作越强反积分作弱积分作引入会系统稳定性降动态响应变慢实际程中尤滞慢时变象积分作超调量贡献重
53微分环节控制性影响
微分环节引入改善控制系统响应速度稳定性微分作反映系统偏差变化律预见偏差变化趋势具超前控制作换言微分作偏差没形成前消微分作改善系统动态性微分作反映变化率偏差没变化时微分环节输出零微分作强弱取决微分时间 越微分作越强反越弱微分作合适情况系统超调量调节时间效减微分作噪声干扰放作强增加微分调节否会控制系统抗干扰产生利影响然PID 调节电路存定局限性常规PID 控制建立知道控象精确数学模型基础调试整定PID控制器参数便投入生产运行具结构简单稳定性性高控制原理控制技术完善成熟现场工作员设计工程师熟悉等优点实际工业程控制中存样情况
（1）许控程机理较复杂具非线性慢时变纯滞等特点样难确切描述程传递函数状态方程
（2）噪声负载扰动环境条件变化影响程参数会发生变化采常规PID 控制器组固定变PID 参数适应参数变化干扰等众变化素显然难获满意控制效果参数变化超定范围时系统性会明显变差致PID 控制难发挥作法适
第六章 结
文 PID 调节器硬件电路分析通分析出PID 调节方式优点：（1）原理简单方便（2）适应性强（3）鲁棒性强作工业控制中常控制方式模拟PID 调节器具强生命力逐渐发展出许基PID 先进控制方式例 模糊免疫PID 控制模糊适应整定PID 控制专家PID 控制等等应该说该种调节方式研究已成熟阶段现行种算法已满足工业控制需特殊行业例军事工业航天工业等需复杂算法满足控制需动化学科员重点研究象
参考文献
1 刘康礼李伟模拟PID 调节器设计数字化实现江苏 徐州中国矿业学信息电气工程学院2010年
2 廖常初PID参数意义整定方法重庆学2010年第5期
3 邓北川浅谈模拟PID电路学辨识西安航空技术高等专科学校学报 2007年9月第25 卷第5期
4 卢贶宋霞Multisim 带通滤波器设计中应武汉襄樊职业技术学院学报 2010 年1月第9卷第1期
5 梁新荣MPX2100 压力传感器应五邑学国外电子元器件
6 王永初 PID发展趋势分析仪器仪表学报1981年5月第2卷第2期
蒙古工业学
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第章 引言
PIDProportionalIntegralDerivational缩写分指例积分微分工业程控制发展史PID控制历史悠久生命力强控制方式迄通控制方法PID控制简单清晰结构良鲁棒性广泛适范围 深受工业界青睐日益受控制理界重视美日等工业发达国家采高级控制技术回路占例9O 控制回路基采PID控制器外PID控制3O年代末开始十年发展模拟PID控制器发展数字PID控制器改善性继出现非线性PID控制选择性(PID—PD)控制IPD控制种适应PID控制算法等
PID 控制器长期应中已积累丰富验然 PID控制器否效发挥方面PID控制器结构设计关方面参数整定关系特工业程控制中控象结构参数完全掌握精确数学模型时控制理技术难应时系统控制器结构参数必须验现场调试确定时应PID技术方便着科学技术发展控象动稳态性求越越高常规PID控制器满足求长时间探索研究PID控制智化适应化优化方发展趋势已明显事实
第二章 摘
PID控制实化控制方式项流行线性控制策略偏差信号e(t)进行例积分微分运算变换形成种控制规律基思想利偏差消偏差PID控制已证明种控制模式产品已工程实际中广泛应PID控制器问世已70年历史结构简单稳定性工作调整方便成工业控制技术控象结构参数完全掌握精确数学模型时控制理技术难采时系统控制器结构参数必须验现场调试确定时应PID控制技术方便完全解系统控象通效测量手段获系统参数时适合PID控制技术PID控制实际中PIPD控制PID控制器根系统误差利例积分微分计算出控制量进行控制文设计传感器测控电路中相应电路(包括调制解调电路放电路细分电路等)PID调节器输入电路例积分电路例微分电路输出电路参数进行设定详细介绍电路PID控制器性影响
2关键字：PID控制器例微分调制解调
第三章 PID控制器发展
31历史发展：
PID控制技术发展分两阶段20世纪30年代晚期微分控制加入标志着PID控制成种标准结构PID控制两发展阶段分水岭第阶段发明阶段( 1900 ～1940 )PID控制思想逐渐明确气动反馈放器发明仪表工业重心放实际PID 控制器结构设计1940年第二阶段——革新阶段革新阶段 PID 控制器已发展成种鲁棒易应控制器仪表工业重心PID控制技术工业技术新发展气动控制电气控制电子控制数字控制 PID 控制器体积逐渐缩性断提高处世界领先位动化仪表公司PID控制器早期发展做出重贡献甚说PID控制器完全实际工业应中发明逐步完善起
32 现状评估：
PID控制应广泛种实控制器种现代控制技术出现没削弱PID控制器应相反新技术出现PID控制技术发展起推动作方面种新控制思想断应PID控制器设计中者新控制思想设计出具PID结构新控制器PID控制技术注入新活力方面某新控制技术发展求更精确PID控制刺激PID控制器设计参数整定技术发展实际生产现场中受参数整定方法烦杂困扰常规PID控制器参数整定良性欠佳运行工况适应性差针问题长期直寻求PID控制器参数动整定技术适应复杂工况高指标控制求面详细说明模拟PID调节器参数整定
33研究趋势
①单入单出控象需研究针稳定象控程存较干扰情况PID参数整定方法初始化抗干扰鲁棒性方面进步增强少量程信息较简单操作较完成整定
②入出控象需研究针具显著耦合变量程变量PID参数整定方法进步完善分散继电反馈方法减少需先验信息量易线整定
③智PID控制技术进步研究适应整定增益计划设定机结合具动诊断功结合专家验知识直觉推理逻辑等专家系统思想方法原PID控制器设计思想整定方法进行改进
第四章 模拟PID调节器设计
41模拟PID调节器设计流程图
压力传感器施加适压力压力传感器压力转换成毫伏级差模电压信号传感器输出信号进行放放信号测量信号外种噪声便区信号噪声测量信号赋予定特征需调制电路带通滤波器允许特定频段波通滤高频信号低频信号滤出信号输入解调电路进行解调需信号然信号输入PID调节器设计电路分输入电路例微分电路例积分电路输出电路取出输出电路输出信号反馈输入电路定信号进行较偏差工作流程图：
带通滤波器
放电路
调制电路
解调电路
例
积分
微分
输出电路
压力传感器
图41模拟PID调节器设计流程图
411传感器选择
MPX2100半导体压力传感器压力转换成毫伏级电压信号该压力传感器具良线性度输出电压加压力成精确正例关系外MPX2100具温度补偿特性克服半导体压力敏感器件存温度漂移问题具广阔应前景
1 工作原理
MPX2100种压阻式压力传感器硅基片扩散工艺制成 4电阻阻值相等应变元件构成惠斯顿电桥电桥恒压源供电恒流源供电两种供电方式采恒压源供电原理图图 1示
图42采恒压源控制原理图
压力传感器受压力作时桥臂电阻值增∆R桥臂电阻值减少∆R电阻变化量∆R压力成正 ∆RKP电桥输出电压电桥输出电压压力 P成正图示：
图43传感器输出电压输入压力关系
412 放电路选择
4121定义：测量控制系统中放传感器输出微弱电压电流电荷信号电路称测量放电路
4122测量放电路选择
测量放电路结构形式传感器类型决定例电阻应变式传感器通电桥转换电路输出信号差动放器进步放电桥放电路测量放电路
差动放电路两输入信号分输入运算放器相反相输入端然输出两信号差模信号量抑制两信号模成分电路采差动放电路利抑制模干扰减温度漂移电路图：
令
图44 基差动放电路
413调制电路选择
选开关电路进行调制输入端加入调制信号 两场效应晶体工作开关状态栅极分加入高频载波方波信号高电低电时V1导通V2截止V1V2理想开关输出电压低电高电时V1截止V2导通输出零调制幅值01变化载波信号相化方波正弦载波信号傅里叶级数展开写
图45开关调制电路
414 带通滤波器
4141定义
带通滤波器允许特定频段波通时屏蔽频段设备
4142工作原理
带通滤波器允许特定频段波通时屏蔽频段设备 RLC振荡回路模拟带通滤波器 理想带通滤波器应该稳通带（bandpass允许通频带）时限制通带外频率波通 实际没真正意义理想带通滤波器 真实滤波器法完全滤掉设计通带外频率信号理想通带边界部分频率衰减区域完全滤曲线称做滚降斜率(rolloff) 滚降斜率通常dB度量表示频率衰减程度 般情况滤波器设计衰减区域做窄便该滤波器限度接完美通带设计带通滤波器中心频率带宽 BW 间关系：
（41）
（42）
4143带通滤波器设计
带通滤波器电路形式里源带通滤波器电路例图：
图46带通滤波器
环源带通滤波器特性参数
（43）
（44）
（45）
设定参数 参数带入列计算式
带入（41）（42）式：
415解调电路
选全波精密检波电路取加电容C时输出
图47全波精密检波电路
42 输入电路
作：获偏差信号＝10V 参考点进行电迁移
图48输入电路
分析：图48 示设A1 理想放器输入阻抗穷输出阻抗零定信号测量信号分通两联输入电阻R 加A1 正反相输入端输出＝10V 基准电压信号Vo1方面作微分电路输入端方面取出Vo12 通反馈电阻R 反馈A1 反相输入端根基尔霍夫定律方便推倒出式子：
：
出输入电路实现偏差放实现电移动
43例微分电路
作：电基准偏差信号通电路进行例微分运算放输出信号 送例积分电路分析：运算法电路进行分析分压电阻（91k 1k）RD 计算时考虑分压（n）考虑输出阻抗
图49例微分电路
样运放相输入端
：
式中Id 电容CD 充电电流
代入式：
运放反相输入端：
认运放理想运放：
令（微分增益）（微分时间）：
44例积分电路
作：接收例微分电路输出信号进行PI 运算输出基准1～5V信号输出电路
图410例积分电路
分析：运算法电路进行分析分压电阻（91k 1k）计算时考虑分压（m）考虑输出阻抗样运放反相输入端：
设K运放开环增益：
式化简：
设积分增益 积分时间：
45 输出电路
作： PID运算10V基准1～5VDC信号转换电源基准4～20mADC电流信号保持恒流特性图中元件参数满足
图411输出电路
分析：理想运放分析相输入端电压：
（46）
分析反相输入端：
（47）
令(46)(47)两式相等
电路图
：
令 时 输出电流
根分析PID 传递函数表示：
第五章 电路图
图示PID调节器设计电路输入电路例微分电路例积分电路执行部件组成通面分析公式环节电路性影响
图51模拟PID调节器
51例环节控制性影响
例增益时反映控制系统偏差信号系统旦出现偏差例环节立产生调节作系统偏差快速减趋势变化例增益越PID 控制器调节速度越快太例增益会加调节程超调量降低系统稳定性甚造成系统稳定
52积分环节控制性影响
积分环节消系统稳态误差提高系统差度保证实现设定值静差踪假设系统达闭环稳定状态仅e (t ) 0时控制器输出常数见控系统存动态误差积分环节产生作直系统差时积分环节输出常值积分作停止积分作强弱取决积分时间常数越积分作越强反积分作弱积分作引入会系统稳定性降动态响应变慢实际程中尤滞慢时变象积分作超调量贡献重
53微分环节控制性影响
微分环节引入改善控制系统响应速度稳定性微分作反映系统偏差变化律预见偏差变化趋势具超前控制作换言微分作偏差没形成前消微分作改善系统动态性微分作反映变化率偏差没变化时微分环节输出零微分作强弱取决微分时间 越微分作越强反越弱微分作合适情况系统超调量调节时间效减微分作噪声干扰放作强增加微分调节否会控制系统抗干扰产生利影响然PID 调节电路存定局限性常规PID 控制建立知道控象精确数学模型基础调试整定PID控制器参数便投入生产运行具结构简单稳定性性高控制原理控制技术完善成熟现场工作员设计工程师熟悉等优点实际工业程控制中存样情况
（1）许控程机理较复杂具非线性慢时变纯滞等特点样难确切描述程传递函数状态方程
（2）噪声负载扰动环境条件变化影响程参数会发生变化采常规PID 控制器组固定变PID 参数适应参数变化干扰等众变化素显然难获满意控制效果参数变化超定范围时系统性会明显变差致PID 控制难发挥作法适
第六章 结
文 PID 调节器硬件电路分析通分析出PID 调节方式优点：（1）原理简单方便（2）适应性强（3）鲁棒性强作工业控制中常控制方式模拟PID 调节器具强生命力逐渐发展出许基PID 先进控制方式例 模糊免疫PID 控制模糊适应整定PID 控制专家PID 控制等等应该说该种调节方式研究已成熟阶段现行种算法已满足工业控制需特殊行业例军事工业航天工业等需复杂算法满足控制需动化学科员重点研究象
参考文献
1 刘康礼李伟模拟PID 调节器设计数字化实现江苏 徐州中国矿业学信息电气工程学院2010年
2 廖常初PID参数意义整定方法重庆学2010年第5期
3 邓北川浅谈模拟PID电路学辨识西安航空技术高等专科学校学报 2007年9月第25 卷第5期
4 卢贶宋霞Multisim 带通滤波器设计中应武汉襄樊职业技术学院学报 2010 年1月第9卷第1期
5 梁新荣MPX2100 压力传感器应五邑学国外电子元器件
6 王永初 PID发展趋势分析仪器仪表学报1981年5月第2卷第2期
蒙古工业学
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