PID調(diào)節(jié)規(guī)律是自動(dòng)控制系統(tǒng)中常見而典型的控制策略，其中模擬式PID器是最基本的實(shí)現(xiàn)手段與方式。它由比例、積分、微分三種基本電路所構(gòu)成。根據(jù)不同的需求可構(gòu)成比例（P）調(diào)節(jié)、比例積分（PI）調(diào)節(jié)、比例微分（PD）調(diào)節(jié)、比例積分微分（PID）調(diào)節(jié)電路。P調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是有差調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器動(dòng)作快，對(duì)干擾能及時(shí)和有很強(qiáng)的抑制作用。I調(diào)節(jié)的特點(diǎn)是能消除靜態(tài)偏差。D調(diào)節(jié)作用是超前的調(diào)節(jié)作用，有利于克服動(dòng)態(tài)偏差。借助Multisim10仿真軟件對(duì)P、PI、PD、PID調(diào)節(jié)電路以及調(diào)節(jié)功能選擇電路單元作了功能上的仿真，圓滿實(shí)現(xiàn)了對(duì)模擬式PID調(diào)節(jié)電路的研究。

　　對(duì)壓力傳感器是施加適當(dāng)大小的壓力，壓力傳感器可以把壓力轉(zhuǎn)換成毫伏級(jí)的差模電壓信號(hào)。因?yàn)閭鞲衅鬏敵龅男盘?hào)很小，所以得進(jìn)行放大。因?yàn)榉糯蟮男盘?hào)除測量信號(hào)外，還往往有各種噪聲，為了便于區(qū)別信號(hào)與噪聲，往往給測量信號(hào)賦予一定的特征，這就需要調(diào)制電路。帶通濾波器是一個(gè)允許特定頻段的波通過，可以濾去高頻信號(hào)和低頻信號(hào)。將濾出的信號(hào)輸入解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)，從而得到需要的信號(hào)。然后將信號(hào)輸入PID調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)電路，分別經(jīng)過輸入電路，比例微分電路、比例積分電路和輸出電路。取出輸出電路輸出的信號(hào)，將其反饋到輸入電路，與給定的信號(hào)進(jìn)行比較，使得偏差e（t）盡可能的小。

　　傳感器的選擇

　　MPX2100半導(dǎo)體壓力傳感器可以把壓力轉(zhuǎn)換成毫伏級(jí)的電壓信號(hào)，該壓力傳感器具有良好的線性度，它的輸出電壓與所加壓力成精確的正比例關(guān)系。另外，MPX2100所具有的溫度補(bǔ)償特性克服了半導(dǎo)體壓力敏感器件存在溫度漂移問題，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　1 工作原理

　　MPX2100是一種壓阻式壓力傳感器，在硅基片上用擴(kuò)散工藝制成 4個(gè)電阻阻值相等的應(yīng)變?cè)?gòu)成惠斯頓電橋。電橋有恒壓源供電和恒流源供電兩種供電方式。采用恒壓源供電的原理圖如圖 1所示。

　　當(dāng)壓力傳感器受到壓力作用時(shí)，一對(duì)橋臂的電阻值增大?R，另一對(duì)橋臂的電阻值減少?R，電阻變化量?R與壓力成正比，即 ?R=KP，電橋輸出電壓U=E（△R/R）=（EK/R）P，即電橋輸出電壓與壓力 P成正比，如下圖所示：

　　放大電路的選擇

　　定義

　　在測量控制系統(tǒng)中，用來放大傳感器輸出的微弱電壓、電流或電荷信號(hào)的電路稱為測量放大電路。

　　2測量放大電路的選擇

　　測量放大電路的結(jié)構(gòu)形式是由傳感器的類型決定的。例如，電阻應(yīng)變式傳感器通過電橋轉(zhuǎn)換電路輸出信號(hào)，并且用差動(dòng)放大器進(jìn)一步放大，因此電橋放大電路就是其測量放大電路。

　　差動(dòng)放大電路是把兩個(gè)輸入信號(hào)分別輸入到運(yùn)算放大器的同相和反相輸入端，然后在輸出兩個(gè)信號(hào)的差模信號(hào)，而盡量抑制兩個(gè)信號(hào)的共模成分的電路。采用差動(dòng)放大電路，有利于抑制共模干擾和減小溫度漂移。其電路圖如下：

　　調(diào)制電路的選擇

　　選用開關(guān)電路進(jìn)行調(diào)制，在輸入端加入調(diào)制信號(hào)xu，21VV， 是兩個(gè)場效應(yīng)晶體管，工作在開關(guān)狀態(tài)。在它們的柵極分別加入高頻載波方波信號(hào)cU，cU。當(dāng)cU為高電平、cU為低電平時(shí)，V1導(dǎo)通、V2截止。若V1、V2為理想開關(guān)，輸出電壓Xuuo?。當(dāng)cU為低電平、cU為高電平時(shí)，V1截止、V2導(dǎo)通，輸出為零。經(jīng)過調(diào)制xu與幅值按0、1變化的載波信號(hào)相乘。歸一化的方波正弦載波信號(hào)按傅里葉級(jí)數(shù)展開后可寫

　　帶通濾波器

　　定義

　　帶通濾波器是一個(gè)允許特定頻段的波通過同時(shí)屏蔽其他頻段的設(shè)備。

　　工作原理

　　帶通濾波器是一個(gè)允許特定頻段的波通過同時(shí)屏蔽其他頻段的設(shè)備 比如RLC振蕩回路就是一個(gè)模擬帶通濾波器 一個(gè)理想的帶通濾波器應(yīng)該有平穩(wěn)的通帶（bandpass，允許通過的頻帶），同時(shí)限制所有通帶外頻率的波通過 但是實(shí)際上，沒有真正意義的理想帶通濾波器 真實(shí)的濾波器無法完全過濾掉所設(shè)計(jì)的通帶之外的頻率信號(hào)，在理想通帶邊界有一部分頻率衰減的區(qū)域，不能完全過濾，這一曲線被稱做滾降斜率（roll-off） 滾降斜率通常用dB度量來表示頻率的衰減程度 一般情況下，濾波器的設(shè)計(jì)就是把這一衰減區(qū)域做的盡可能的窄，以便該濾波器能最大限度接近完美。通帶的設(shè)計(jì)與帶通濾波器的中心頻率0f和帶寬 BW 之間的關(guān)系為：

　　反相比例電路由運(yùn)放組成的反相輸入比例放大電路如圖2.1所示。在理想條件下，該電路的主要閉環(huán)特性如表2.1所示。在表中1利用上表可計(jì)算出運(yùn)算誤差。表2.1說明，由運(yùn)放組成的反相輸入比例放大電路具有如下重要特性

　　（1）在深度負(fù)反饋情況下工作時(shí)，電路的放大倍數(shù)僅有外接電阻R1、R2的值確定。

　　（2）因同相端接地，則反相電位為“虛地”，因此，對(duì)前級(jí)信號(hào)源而言，負(fù)載不是運(yùn)放本身的輸入電阻，而是電路的閉環(huán)輸入電阻R1。

　　（3）運(yùn)放的輸出電阻也由于深度負(fù)反饋而大為減小。由于R1=R2這一特點(diǎn)，反相比例放大器只宜用于信號(hào)源對(duì)負(fù)載電阻要求不高的場合（小于500kΩ）。

　　在設(shè)計(jì)反相比例放大電路時(shí)，要從多種因素來選擇運(yùn)放參數(shù)。PID調(diào)節(jié)電路的輸入輸出要求為：輸入1～5V的電壓信號(hào)，輸出5～20mA的電流。由于運(yùn)算放大器的工作電壓為±15V，因此比例放大的增益不能超過3，R2與R1的比值也就不能超過3。

　　比例微分電路

　　主要作用：以bV電平為基準(zhǔn)的偏差信號(hào)1Vo，通過電路進(jìn)行比例微分運(yùn)算，再經(jīng)比放大后，其輸出信號(hào)2Vo 送給比例積分電路。分析：用運(yùn)算法對(duì)電路進(jìn)行分析。由于分壓電阻（9.1k 和1k）比RD 小得多，計(jì)算時(shí)可只考慮其分壓比（n）而不考慮其輸出阻抗

　　比例積分調(diào)節(jié)（PI調(diào)節(jié)）

　　分析：用運(yùn)算法對(duì)電路進(jìn)行分析。由于分壓電阻（9.1k 和1k）比IR小得多，計(jì)算時(shí)可只考慮其分壓比（m）而不考慮其輸出阻抗。這樣，對(duì)運(yùn)放反相輸入端，有：

　　比例環(huán)節(jié)對(duì)控制性能的影響

　　比例增益pK能及時(shí)地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例環(huán)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，使系統(tǒng)偏差快速向減小的趨勢變化。當(dāng)比例增益pK越大，PID 控制器調(diào)節(jié)速度越快。但pK不能太大，過大的比例增益會(huì)加大調(diào)節(jié)過程的超調(diào)量，從而降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甚至可能造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定

　　積分環(huán)節(jié)對(duì)控制性能的影響

　　積分環(huán)節(jié)可以消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度，以保證實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)定值的無靜差跟蹤。假設(shè)系統(tǒng)己經(jīng)達(dá)到閉環(huán)穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)且僅當(dāng)e （t ） = 0時(shí)，控制器的輸出才為常數(shù)。由此可見，只要被控系統(tǒng)存在動(dòng)態(tài)誤差，積分環(huán)節(jié)就產(chǎn)生作用。直到系統(tǒng)無差時(shí)，積分環(huán)節(jié)的輸出為一個(gè)常值，積分作用停止。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)iT的大小，iT越小，積分作用越強(qiáng)，反之則積分作用弱。積分作用的引入會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。在實(shí)際過程中，尤其對(duì)大滯后、慢時(shí)變對(duì)象，積分作用對(duì)超調(diào)量的貢獻(xiàn)是很重要的。

　　微分環(huán)節(jié)對(duì)控制性能的影響

　　微分環(huán)節(jié)的引入，主要是為了改善控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。微分作用反映的是系統(tǒng)偏差的變化律，它可以預(yù)見偏差變化的趨勢，具有超前的控制作用。換言之，微分作用能在偏差還沒有形成之前，就將其消除。因此，微分作用可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。微分作用反映的是變化率，當(dāng)偏差沒有變化時(shí)，微分環(huán)節(jié)的輸出為零。微分作用的強(qiáng)弱取決于微分時(shí)間dT的大小，dT 越大，微分作用越強(qiáng)，反之則越弱。在微分作用合適的情況下，系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間可以被有效的減小。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，所以我們不能過強(qiáng)地增加微分調(diào)節(jié)，否則會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)抗干擾產(chǎn)生不利的影響。當(dāng)然，PID 調(diào)節(jié)電路也存在一定的局限性。常規(guī)PID 控制是建立在知道被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上，只要調(diào)試整定好PID控制器參數(shù)dipKKK，，后，便可投入生產(chǎn)運(yùn)行，具有結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性能好、可靠性高、其控制原理與控制技術(shù)己完善成熟，且為現(xiàn)場工作人員和設(shè)計(jì)工程師們所熟悉等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際工業(yè)過程控制中卻存在這樣的情況：

　　（1）許多被控過程機(jī)理較復(fù)雜，具有非線性、慢時(shí)變、純滯后等特點(diǎn)，這樣就很難得到確切的描述這些過程的傳遞函數(shù)或狀態(tài)方程。

　　（2）在噪聲、負(fù)載擾動(dòng)和其他一些環(huán)境條件變化的影響下，過程參數(shù)會(huì)發(fā)生變化。采用常規(guī)PID 控制器，以一組固定不變的PID 參數(shù)去適應(yīng)參數(shù)變化、干擾等眾多的變化因素，顯然難以獲得滿意的控制效果。當(dāng)參數(shù)變化超過一定的范圍時(shí)，系統(tǒng)性能就會(huì)明顯變差，致使PID 控制難以發(fā)揮作用而無法適用。

　　本文對(duì) PID 調(diào)節(jié)器各硬件電路的分析，通過分析，得出了PID 調(diào)節(jié)方式的優(yōu)點(diǎn)，即：（1）原理簡單，使用方便（2）適應(yīng)性強(qiáng)（3）魯棒性強(qiáng)。作為在工業(yè)控制中最常用的控制方式，模擬PID 調(diào)節(jié)器具有強(qiáng)大的生命力，并逐漸發(fā)展出許多基于PID 的其它先進(jìn)的控制方式，例如： 模糊免疫PID 控制、模糊自適應(yīng)整定PID 控制、專家PID 控制等等，應(yīng)該說對(duì)該種調(diào)節(jié)方式的研究已經(jīng)到了成熟的階段，現(xiàn)行的各種算法已經(jīng)可以滿足工業(yè)控制的需要。但是，對(duì)于一些特殊的行業(yè)，例如軍事工業(yè)、航天工業(yè)等，則需要一些復(fù)雜的算法才能滿足控制的需要。這是自動(dòng)化學(xué)科人員今后重點(diǎn)的研究對(duì)象。