PID调节器

PID调节器 实习名称, PID调节器 学生姓名, 李程 学 号, 201216030213 专业班级, 建筑电气与智能化2班 指导教师, 成天乐 完成时间, 2014年6月12日 成绩, 评阅意见, 评阅教师 日期 题目:PID调节器的设计 摘要 目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器)传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上;控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。 关键词:比例带δ;PID的输入偏差?e;积分作用;微分作用;被调量;静差。 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、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。 图2.1 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表示如下: (1-1) 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 图3.1 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3.1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 (1)原理图4.1 分析:根据“虚短”和“虚断”的原则， 根据up,un,0，，，， N点的电流方程为...........if,i1，ic1，，，，，， ，，duu1，，，，........ic1,C1...........i,，，dtR1 输出电压U等于R上电压u和C上电压u之和，而 R2du1，，，，Ur2,,iR,,U1,R2C1，，，，，，，， R1dt，， ，，11duu1，，，，Uc2,,i，dt,,C1dtdt，dt,,，，，，，，C2C2dtR1 ，，C11，，，，,,u1,u1dt,，，，，，，C2R1C2 ,,，，，，R2C1du1，，,,，，，，，，所以U0,,，U1,R2C1,udt,,,，，，，，，，，R1C2dtR1C2,, 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 3 0—5k可调 C1.C2.C3 3 10微法 uA741 1 集成块 所需主要仪器设备等实验条件 需进入实验 仪器设备名称 实验材料 室名称 uA741 双踪示波器 模拟电路 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 ,,R2C11，，，，式为: ,,，，，，U0,,，U1,udt,,,，，，，，，，，R1C2R1C2,, 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 ,,R2C1du，，，，,,U0,,，U1,R2C1，，，，，，，，输入电压的关系式为: ,,，，，，R1C2dt,, 六、性能测试与分析: (一)当输入为正弦信号: 、R1=5K? R2=2.5 K? C1=C2=10μF f=10HZ V=3v 1 图6.1 图6.2 从图6.1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=10μF f=10HZ V=3v 图6.2 从图6.2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=10μF f=10HZ V=3v 图6.3 从图6.3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=3v 图6.4 5、R1=2.5K? R2=2.5 K? C1=C2=10μF f=10HZ V=3v 图6.5 从图6.5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=5K? R2=2.5 K? C1=C2=10μF f=10HZ V=3v 图6.6 从图6.6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=10μF f=10HZ V=3v 图6.7 从图6.7中分析可知:输出与输入的关系符合积分关系。 3、R1=5K? R2=2.5 K? C1=C2=10μF f=10HZ V=3v 图6.8 从图6.8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=10μF f=10HZ V=3v 图6.9 从图6.9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=10μF f=10HZ V=3v 图6.10 从图6.10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=5K? R2=2.5 K? C1=C2=10μF f=10HZ V=3v 图6.11 从图6.11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=10μF f=10HZ V=3v 图6.12 从图6.12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=10μF f=10HZ V=3v 图6.13 图6.13 从图6.13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=10μF f=10HZ V=3v 图6.14 从图6.14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=10μF f=10HZ V=3v 图6.15 从图6.15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，熟练的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，特别 是感谢成天乐老师，给予了我很多难题上的指导。 八、参考文献 [1] 陈明义.电子技术课程设计实用教程 中南大学出版社 2007 [2] 康华光.电子技术基础数字部分(第四版) 高等教育出版社 2000.7 [3] 任为民.电子技术基础课程设计 中央广播电视大学出版社 1997.10 [4] 康华光.电子技术基础数字部分(第五版) 高等教育出版社 2006.2 收音机工艺实习报告 一:实习目的 1、了解超外差收音机的工作原理和性能特点; 2、学习识别各种电子元器件，学会看电路图; 3、了解电子焊接的原理和方法，掌握焊接技术; 4、培养动手实践能力和团队协作精神 二:实习器材及介绍 (1) 电烙铁:由于焊接的元件多，所以本次使用的是外热式电烙铁，功率为30 w，烙铁头是铜制。 (2) 工具箱:工具箱内装有斜口钳、螺丝刀、镊子等必备工具。 (3) 焊锡丝: 为锡铅合金。通常用于电子设备的锡焊。其锡铅比60/40。它的熔点低，焊接时，焊锡能迅速散步在金属表面焊接牢固，焊点光亮美观。 (4)松香。 (5)支架:放置热的电烙铁。 (6)收音机元件。 附收音机元件表: 三、实习步骤 (1)熟悉电路元件，掌握烙笔的使用方法 (2)发收音机装配零件，检查和熟悉各种零件 (3)熟悉收音机的装配图 (4)组装收音机 (5)焊 接 (6)调试过程 四、收音机 (1)收音机原理图: 图4.1 (2)工作原理 当调幅信号感应到T1及CA组成的天线调谐回路，选出我们所需的电信号F1从IC 10脚进入IC(CXA1691BM);本振电路由T2、C16、CB组成，振荡频率高出F1频率一个中频的F2(F1+465KHz)例:F1=700KHz 则F2=700+465KHz=1165KHz 的信号从IC的5脚输入IC内部与F1的信号会合进行混频，混频后的中频信号从IC的14脚输出经中频变压器T3选频再经CF2、465KHZ中频虑波器选频，选频后的中频信号从IC的16脚输入内部进行中频放大、检波，检波后的音频信号从IC的23脚输出经C14耦合从24脚输入IC内部进行低频功率放大，放大后的音频信号从IC27脚输出经C18耦合电容推动扬声器或耳机。 当拉杆天线感应到的调频信号经C2电容耦合，从IC的12脚输入IC内部进行高频放大，由 L2、C3、CE组成的选频调谐回路，选出我们所需的高频电信号F3从IC的9脚进入IC(CXA1691BM);本振电路由L3、C4、CD组成，振荡频率高出F3频率一个中频的F4(F3+10.7MHz)例:F3=90MHz 则 F4=90+10.7MHz=100.7MHz的信号从IC的7脚输入IC内部与F3的信号会合进行混频，混频后的中频信号从IC的14脚输出经R4再经CF1、10.7MHZ中频虑波器选频，选频后的中频信号从IC的17脚输入内部进行中频放大、鉴频，鉴频后的音频信号从IC的23脚输出经C14耦合从24脚输入IC内部进行低频功率放大，放大后的音频信号从IC27脚输出经C18耦合电容推动扬声器或耳机。 五、实习器材介绍 (1)电烙铁:由于焊接的元件多，所以使用的是外热式电烙铁，功率为60w，烙铁头是铜制。 (2)螺丝刀、镊子等必备工具。 (3)松香和锡，由于锡它的熔点低，焊接时，焊锡能迅速散步在金属表面焊接牢固，焊点光亮美观。 (4)两节5号电池。 实习心得: 通过这次实习我了解了收音机的各基本原件的工作原理，以前觉得很不可思议的事情，现在看来都不在那么难了，在做收音机的过程中遇到了许多的问题，特别是在焊接的过程中，要拿个那么大的电烙铁在那么小的PCB板上焊接，一不小心就会造成电路短路，并且初次进行焊接焊得也不是很牢靠，其中几个原件都差点焊接错位，还好后来比较好的弥补了这个错误，后来总算还能够收到台，也算没有白费这个礼拜的实习，在以后的实习中我将更加的用心的。 Protel实习报告 一、实习目的 1.熟悉PROTEL的基本操作。 2.了解并掌握用Protel软件绘制简单电路图 3.掌握用Protel软件设计库元件。 4.学会利用Protel设计PCB图。 二、设计任务 1.绘制收音机电路原理图。 2.根据电路原理图生成相应的PCB图。 三、实验内容: 3.1 绘制简单的SCH文件 3.1.1 SCH原理图 1.建立原理图纸:File/new/File/new/Schematic document/ 建立sheet1.sch; 2.选择图纸样式:Design/Opinion/ 设置图纸格式; 3.定位元件和加载元件库及放置元件:单击工作区面板中的Library标签，可显示元件库工具栏，查找需要的元件，单击Place插入元件; 4.设置元件的格式及名称编号:双击要设置的元件，更改其参数; 5.生成网络表格:Design/Create netlist; 3.1.2 建立一个新的SCH元件 1.先来打开SCH文件，选中教学提供的那个SCH零件库，然 后选编辑，进入SCH零件编辑器; 2.在这个现有的库中新建一个SCH零件，单击“Tools”工具条， New Component选项; 3.要注意SCH零件的管脚的电气连接有效点是有讲究的～ 4.给零件库中的零件改名字，单击“Tools”工具条，Rename Component 选项; 5.保存做好的元件; 3.2 绘制PCB文件 3.2.1 做PCB零件封装 1.打开PCB，选择PCB封装库，按图选择编辑按纽进入PCB封装编辑器; 2.转换制式，改为公制:单击“View”，选择Toggle Units; 3.新建一PCB封装 :单击“Tools”、“ New Component”选项; 4.弹出一Component Wizard工具框,选择“Cancel”; 5.把封装的起始位置定位为绝对中心:单击Edit选项卡，选择“Jump”再选“Reference”选项; 6.做封装时，重点注意焊盘的名称中文注释; 7.单击“Reports”中的“Measure Distance”选项测量封装的尺寸是否精确; 8.完成封装。 3.2.2 把SCH文件变成PCB板 1.单击“View”、“Fit All Object”先看看SCH都有什么零件; 2.单击“Design”选项卡、单击“Update PCB „”;(注意看一下中文注释)，导入了SCH文件; 3.单击“View”选项卡、单击“Fit Board”选项卡，这是显示出了所有零 件;(常用技巧:如要旋转元件的话,只要用鼠标按住元件然后按压键盘“空格键”即可); 4.画一个PCB的外型框，选择禁止布线层，KeepOutLayer选它画出的线决定PCB的外形尺寸; 5.做一个自己要的外型框，然后把PCB零件封装移动到里面去; 6.设置参数设置参数包括设置元件的布置参数、板层参数和布线参数等。大多数情况下，可以直接使用系统的默认值，参数设置是一次性完成的，在后续的设计工作中很少需要修改; 7.加载网络表和元件封装:网络表是自动布线的基础，是连接原理图和印制电路板的纽带。只有加载了网络表和元件封装后，电路板的自动布线才能完成; 8.布线开始，先看看尺寸是不是合适。单击“View”选项卡，选择Toggle Units; 9.单击“Repots”选项卡，选择Measure Distance进行精准的距离测量; 10.对元件进行一下布局,用鼠标拖动元件,键盘的“空格键”负责翻转元件; 11.自动布线之前要校验一下，看看是不是有错误; 12.单击“Auto Route”选项卡，选择“All”选项，开始自动布线; 13.在弹出的Autorouter Setup选项卡，单击Route All，若弹出“是”或“否”选项，选“是”; 14.自动布线完成; 15.手工调整、修改不合理布线。 四、注意事项 4.1 原理图常见错误 (1)ERC报告管脚没有接入信号: a.创建封装时给管脚定义了I/O属性; b.创建元件或放置元件时修改了不一致的grid属性，管脚与线没有连上; c.创建元件时pin方向反向，必须非pin name端连线. (2)元件跑到图纸界外:没有在元件库图表纸中心创建元件。 (3)创建的工程文件网络表只能部分调入pcb:生成netlist时没有选择为global。 (4)当使用自己创建的多部分组成的元件时，千万不要使用annotate. 4.2 PCB中常见错误 (1)网络载入时报告NODE没有找到: a.原理图中的元件使用了pcb库中没有的封装; b.原理图中的元件使用了pcb库中名称不一致的封装; c.原理图中的元件使用了pcb库中pin number不一致的封装。如三极管:sch中pinnumber 为e,b,c, 而pcb中为1，2，3。 五、收音机电路原理图 图5.1 六:PCB板 6.1单面板 6.2双面板 实习心得: 实习结束了，可自己总感觉还是意犹未尽，总感觉自己要学的东西还很多很多，仅仅通过这两周的实习自己没能完全掌握这方面的知识。不过，通过一周的理论讲解和一周的上机实习。虽然时间理论学习的时间和上机的时间对于我们这些初学者要全面掌握protel99SE的理论知识和实践知识是相当难的。但是，由于老师的精心讲解我觉得自己在这方面有了很大的长进，从只听说protel99SE是做电路设计的软件到已经初步较为全面的了解了这个软件。再加上实习时，通过回忆理论老师的讲解结合自己的笔记和当堂实习老师的讲解和任务的布置，我渐渐在完善着自己的protel99SE知识。 可是，还是不能很好的操作和运用软件。当遇到不懂的地方时通过问老师和同学，我开始慢慢的一步步的按照老师所说的步骤一步步的完成着老师布置的任务当理论知识讲解完之后，自己对protel99SE已经有了一个初步的了解。当自己真的上机 实践后觉得上机并没有自己想象的那么困难，自己大部分还是能按照老师所要求的做下来。只是偶尔有一小部分知识不是很清楚，通过问同学和老师对这些知识进一步掌握之后开始慢慢的一步步的完成了自己的任务。 通过这两周的实习我有很多的收获，先说说知识方面的收获。首先，通过实习我熟悉了PROTEL的基本操作，掌握了用PROTEL绘制原理图的基本方法，掌握了用PROTEL制作PCB板的方法。其次，我对计算机有了更深刻的认识，觉得它对我们的学习有了越来越密切的联系。还有，就是通过一些快捷键的使用使我在计算机快捷键的使用有了更多的了解。当然，这两个星期的学习并不能完全掌握PROTEL，我们只是初步掌握了它的基本功能，我希望能在以后的学习中逐步掌握它的全部功能。