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1、 课 程 实 习 报 告实习名称：电子设计制作与工艺实习学生姓名： 陈文平 学 号： 201116030217 专业班级： 建筑电气与智能化11102 指导教师： 梅彬运老师 完成时间： 2013年6月22日 评阅意见： 评阅教师 日期 报告成绩： P I调节器设计 目录目录1摘要2Abstract3PI控制器简介:4PI控制器的特点4PI控制原理51.1 比例（P）控制51.2 比例-微分控制5PI调节器设计6动态校正PI调节器的设计10PI调节器在电梯控制中的应用16致谢19参考文献20摘要比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控

2、制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error）。 积分（I）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 调节器控制规律

3、为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节关键词： 控制原理 控制参数 动态性能指标计算AbstractProportional (P) controlProportional control is one of the most simple control method. The controller output and the input error signal is proportional to the relationship. When only proportional control system output steady-state error (Stea

4、dy - state error).Integral (I) controlIn integral control, the controller output is proportional to the input of the error signal integral relationship. To an automatic control System, if exist steady-state Error, after enters the Steady state, called the control System there is a steady-state Error

5、 or System (System with Steady - state Error). In order to eliminate the steady-state error, in the controller must be introduced to integration. Integral item of error depends on the time integration, with the increase of time, integral will increase. In this way, even if the error is very small, i

6、ntegral item will be increased with the increase of time, it increases the output of the drive controller make the steady-state error is further reduced, until it is equal to zero. Proportional plus integral (PI) controller, therefore, can make the system in the steady state after no steady-state er

7、ror.Regulator control law for the proportional, integral and differential control, hereinafter referred to as PID control, also known as PID regulationKey words:Control principle of the control parameter calculating dynamic performance indicators PI控制器简介:PI控制器包括比例调节和积分调节。 比例调节作用：按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差

8、,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。 积分调节作用：使系统消除稳态误差,提高无差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。PI控制器主要应用于低频性能，低频段高增益。PI控制器的特点1. 应输入的变化，起到粗调的作用；随后，积分作用使输出逐渐增加，最终PI控制的输出响应由

9、两部分组成：当偏差出现时，比例作用迅速反达到消除误差的目的，起到细调作用。2. PI控制本质上是比例增益随偏差的时间进程而不断变化的比例作用。3. 与比例控制相比，PI控制由于积分环节的存在，会使系统相频特性存在相位滞后，造成系统的稳定性能和动态品质变差。4. 积分控制器存在积分饱和现象。PI控制原理 1.1 比例（P）控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。在信号变换过程中，P控制器值改变信号的增益而不影响其相位。在串联校正中，加大了控制器增益，可以提高系统的开环增益，减小的系统稳态误差，从而提高系统的控制精度。控制器结构如图1：r(t)-c(s)e(

10、t)m(t)图11.2 比例-微分控制具有比例-微分控制规律的控制器称PI控制器，其输出信号m(t)同时成比例的反应出输入信号e(t)及其积分，即： （1）式（1）中，k为可调比例系数；为可调积分时间常数。PI控制器如图2所示。R(s)-C(s)E(s)M(s)图2在串联校正时，PI控制器相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于s左半平面的开环零点。位于原点的极点可以提高系统的型别，以消除或减小系统的稳态误差，改善系统的稳态性能；而增加的负实零点则用来减小系统的阻尼程度，缓和PI控制器极点对系统稳定性及动态性能产生的不利影响。只要积分时间常数足够大，PI控制器对系统稳定

11、性的不利影响可大为减弱，在控制工程中，PI控制器主要用来改善控制系统的稳态性能。 PI调节器设计PI是一个经典的控制律，被广泛应用于各种控制系统中。PID控制器可以用模拟电路来实现，也可以用数字算法来实现。实际应用中，PI控制相对于PD或PI控制用的更多一些。下图为一个采用运放来实现的PI控制器电路：U1A部分是比例为1的差分电路，此电路输入为反馈值和设定值输出为它们之间的偏差。U1B部分是一个比例电路，比例系数为R2/R1 。U1C部分是一个积分电路，积分系数为1/(R4 * C1) 。U2A与U2B部分是一个加法电路，输出为控制值。比例控制可以实现对偏差的快速响应，积分控制可以消除静差。将

12、比例与积分控制结合起来可以在消除静差的同时加快对偏差的响应。采用上述电路设计了一个电流控制器，实现电流输出值对电流设定值的跟踪。当仅采用积分控制时，波形如下（红色为设定值，橙色为输出值）： X轴单位为1ms X轴单位为10us当采用比例积分控制时，波形如下： X轴单位为1ms X轴单位为10us由上可见，两种方法都可以消除静差，实现输出值对设定值的跟踪，不过相比于纯积分控制，比例积分控制的效果更好一些，超调量小，稳定时间短。 动态校正PI调节器的设计设计一个反馈闭环调速系统，首先应进行总体设计，基本部件选择和稳态参数计算，这样就形成了基本的闭环控制系痛，或称原始系统。然后应该建立原始系统的动态

13、数学模型，检查它的稳定性和其他动态性能指标。如果原始系统不稳定或动态性能不好，就应该配置合适的校正装置，使校正后的系统全面满足性能指标要求。校正的方式很多，而且对于一个具体的系统而言，能够满足性能要求的校正方案也很多，并不是唯一的。常用的校正方法有很多：(1) 串联校正：将校正装置串联在系统的前向通道中来改善系统性能的校正方法。由运算放大器组成一定的有源校正网络，传递函数相乘，处理方便，在机电控制系统中应用最多。 比例校正传函超前校正传函控制系统采用串联超前校正,主要用来补偿系统的相位滞后,以改善系统的稳定性,增加稳定裕度,减少伺服系统的速度误差,提高系统的快速响应。也常用来抵消系统前向通道中

14、不希望有的极点，拓宽系统的通频带。需要注意的是：当信号夹杂噪声干扰时，串入有源超前校正时要特别注意防止噪声将信号通道阻塞。一阶滞后环节传递函数采用串联滞后校正,主要用来提高系统的稳态精度；又可用来限制系统的通频带；当系统前向通道受干扰作用时，在扰动作用点之前给系统串入纯积分环节，就可补偿缓慢变化的干扰对系统的影响，但他将使系统的相位滞后，快速性变差，引起条件稳定问题。 一阶微分环节传函 积分环节传递函数 滞后超前环节传递函数 超前滞后环节传递函数 比例积分环节传递函数采用超前校正使系统的带宽增加，改善了响应速度，且减小超调量，但稳态性能改善甚微；滞后校正使稳态精度获得改善，但由于减小了带宽，使

15、系统响应缓慢。如果欲同时改善系统的瞬态、稳态(即大幅度地增加增益和带宽）性能，兼得两者的优点，则可采用滞后-超前校正。这是目前被认为最有实用价值的、具有通用有效的补偿措施。使用串联校正装置应当注意：a.若用串联校正抵消系统前向通道中不需要的极点或零点时，这些不希望的极点或零点必须是稳定的（即都在s平面的左边）。凡具有正实部的极点或零点均不能用串联校正来对消。b.注意线路输入、输出阻抗的匹配（特别是采用无源校正时）。c.当系统前向通道参数变化时，串联校正不能改善系统对参数变化的灵敏度。d.为大幅度提高低频增益而采用滞后校正时，注意正确设计和分配增益，使在大信号作用下滞后校正首先进入饱和，切除积分

16、效应，消除条件稳定性。(2) 并联校正：校正网络与前向通道中的环节顺向并联，其作用于串联校正相似，但比串联校正更灵活一些，因并联校正可以相加也可以相减，因此可实现其他校正方法无法实现的功能。a. 引入积分当时，并联通道则得校正后的传递函数为 其中积分时间常数上式等效串联校正的PI调解器。这种装置只对w=T-1信号的振幅和相位有影响。在主通道中引入这类环节，仅仅使系统低频区的特性变形。恰当的选择时间常数T1的值，可是系统中频段特性不变，这就使得有可能在不失稳定裕度有明显减低的情况下，提高系统的误差度阶次。B引入微分当则将则得校正后的传函为其中微分时间常数上式组合的传递函数为PD调解器。还可以将比

17、较简单的校正装置组合成比较复杂的装置，例如并联组合，其等效的传递函数为适当调整参数，可获得二阶微分环节（反谐振滤波器），用来对消系统中不希望的共轭复数极点（如对消结构谐振点）。c. 补偿不稳定零（极）点当系统前向通道中某部分传递函数包含虚轴右边的零点需要补偿时，可用并联校正来补偿。例如 则并联组合的传递函数为只要适当选取参数则右零点被补偿掉，这是其他校正方法无法实现的。需要说明的是，并联校正对系统参数变化的敏感性无抑制作用。(3) 反馈校正：所有的伺服控制系统，都是基于反馈控制原理，从广义上讲，都属于反馈校正系统。这里所说的反馈校正特指负反馈校正（正反馈校正在系统中用得不普遍，因它易造成系统发

18、散），把与系统输出变量的一次微分、二次微分成比例的信号进行局部反馈。a. 抑制干扰：当系统前向通道中被负反馈校正所包围的部分受到干扰作用时，负反馈校正能起到一定程度的抑制作用，这种抑制作用随反馈的加强而增强。下图中外加扰动 f 对局部闭环输出Y的影响可用下式描述只要负反馈作用很强（不一定反馈系数很大），在干扰作用点之前，局部闭环的前向通道增益足够大，亦可达到抑制干扰的目的。b. 减小时间常数，实现极点配置：减小负反馈所包围的环节的时间常数，改变传递函数的极点的能力，是负反馈的重要性质。如果具有传递函数为的一阶惯性环节，被传递函数为的硬反馈所包围，则合成传递函数可以看出，反馈使被包围环节的传递函

19、数的传递系数和时间常数均减小为原来的若则c. 降低对参数变化的灵敏度例如上面例子中给原来环节的增益系数K1引入一个小偏差值：则反馈闭环后的增益系数的增量为，可见，总传递函数的增益的相对增量为原来环节增益的相当增量的。同理，被反馈所包围的环节的某种程度非线性，负反馈的引入亦可起一定的抑制作用。d. 实现动态特性的拟合：反馈校正也可以对系统的动态关系产生各种效应。利用反馈通道采用不同的传递函数形式，也可实现三种基本的负反馈形式。(1) 抑制高频的反馈：利用负反馈给系统设置极点，即利用反馈通道的微分或一阶微分的作用，达到对系统的滞后效应，类似于串联积分环节。(2) 抑制低频的反馈：利用负反馈给系统设

20、置零点，即利用反馈通道的积分或惯性，达到对系统的微分效应或超前作用，类似于串联微分环节，单它要比串联校正实现微分作用容易得多。(3) 抑制中频的反馈：利用负反馈给系统设置超前-滞后环节，即利用反馈通道的滞后-超前环节，达到对系统的积分-微分作用，类似于串联积分-微分环节。 (4) 复合控制：亦称开环-闭环控制或前馈-反馈控制，其形式多种多样。前馈通道WR（s）用来减小伺服误差；Wb（s）则用来消除干扰的影响。对参考输入R（s）而言，若选择则系统输出无差的复现参考输入。对于消除干扰而言，如果干扰可测量，则前馈控制是消除干扰对系统输出影响的有效方法。所谓前馈控制，就是在可测量干扰的不利影响之前，通

21、过对它的近似补偿，来控制可测量干扰的不利影响，它克服了反馈控制靠误差调节的不足。对隔离干扰，若取则说明干扰输入f（s）与系统输出C（s）完全隔离（亦称全补偿）。这种前馈控制方法在舰载、车载兵器稳定系统中被广泛应用，以消除载体振动对涉及精度的影响。此时，测量振动的传感器采用陀螺。全补偿实际上不可能完全实现，只能近似。引入前馈补偿通道可提高整个系统的精度，又不影响系统闭环的稳定性，这是复合控制的一个显著特点。PI调节器在电梯控制中的应用摘要：在自动控制系统中，采用比例调节器的闭环转速负反馈控制系统是有静差的调速系统。要想实现调速系统的无静差，就必须改变单纯的比例控制规律，从根本上找出消除静差的方法

22、。在自动控制系统中，采用比例调节器的闭环转速负反馈控制系统是有静差的调速系统。要想实现调速系统的无静差，就必须改变单纯的比例控制规律，从根本上找出消除静差的方法。由线性集成运算放大器构成的积分调节器对于输入的信号有积累、记忆和延缓的作用，延缓确不能快速，在快速性上不如比例控制器，所以一个控制系统既要达到无静差又要相应快，可以把比例控制和积分控制两种规律结合起来，构成比例积分调节器（即PI调节器）。阶跃输入时PI调节器的输入特性如图1所示。从PI调节器的物理意义来看，当突加输入信号的时候，由于电容两端电压不能突变，电容相当于瞬时短路，此时调节器相当于一个放大系数的比例调节器。此后随着电容被充电，

23、输出电压呈线性增长，直至稳态。达到稳态后电容相当于开路，调节器可以获得很大的开环放大系数，实现稳态无静差。图1 阶跃输入时PI调节器的输入特性电梯调速系统（如图2）采用了PI调节器，该系统可以做到无静差调速。当负载由突增到时，负载转矩大于电动机转矩而使得转速下降，转速反馈电压随之下降，使调节器的输入偏差，于是引起PI调节器的调节过程。在调节过程的起始阶段，比例部分立即响应并输出，它使得控制电压增加，经过整流后的输出电压增加。其大小与转速偏差成正比，越大，（）越大，调节作用越强，从而使转速沿着曲线缓慢下降。积分部分的输出电压与对时间的积分成正比，即：图2 电梯调速系统在初始阶段，由于较小，所以积

24、分部分的输出增长缓慢，如图（3）所示。当达到最大值时，比例部分的输出达到最大值，积分部分输出的增长速度最大。此后，转速开始回升，逐渐减小，积分部分输出的增长速度逐渐降低，但是其数值本身仍然是向上增长的，并对转速的回升起主要作用，直至转速恢复到原值，此时，停止增长并保持这个数值，而比例部分输出衰减为0.这样积分作用的结果最终使比原稳态值高出成为，进而增加了整流电压，从而转速回到原来的稳态值上，实现了转速无静差调节。图3 采用PI调节器的调速系统突加负载时的过渡过程总的变化曲线为曲线1和曲线2相加。在整个调节过程中，初始和中间阶段比例调节部分起主要作用，它迅速抑制了转速的下降，使转速回升。在调节过

25、程的后期，转速降落已很小，比例调节的作用已不显著，而积分调节的作用可以看出，无静差调速系统只是在静态时的无静差，在动态过程（即过渡过程）中还是有差的。一般衡量调速系统抗干扰过程的动态性能指标主要有最大动态速降和恢复时间。致谢 对于我们能够完成这次课程设计，首先我们应当感谢我们的父母，是他们给予我们条件让我们能够在这个学校进行深造，感谢他们为我们带来的一切物质条件及精神鼓舞。感谢老师，是您的指导让我可以顺利的通过这次考察。感谢同学的支持，是你帮助我如何去开始这次课程之路。通过本次课程设计，我加深了对数电与你、模电课程知识的理解，其中一些在理论课上没搞懂的问题，在课程设计的过程中自己通过查阅大量的

26、资料也搞懂了。特别是系统稳定性分析，系统的校正以及比例环节，积分环节对系统稳定性以及系统动态性能和稳态性能的影响。在整个课程设计过程中大量电子放大技术及protel软件同时，在此次课程设计中，我感受到了查阅各类书籍的重要性，通过查阅图书馆的书籍可以开拓我们的视野，让我了解到pi调节器在很多领域中的运用让我的思维不仅仅局限在课堂上，对同一个问题有多种分析思路、解决方法。 总之，这次课程设计不仅增加了我的知识积累，加强了我的独立思考能力和动手能力以及发现问题解决问题的能力为将来的学习和工作打下了很好的基础。同时也让我认的优越性与学习protel工程软件的重要性。课程设计的过程中我与同学、老师进行了深入的交流，通过交流我收获很大。 参考文献1 胡寿松著.PI调节器设计.北京：科学技术出版社，2001.122 陈贵银著.电子技术基础.北京：北京理工大学出版社，2009.33 谢克明等著.电子技术基础实验.湖南：电子工业出版社，2009.14 熊新民著.自动控制原理与系统.北京：电子工业出版社，2003.45 王万良.自动控制原理.高等教育出版社,20086 葛哲学.protel原理设计.电子工业出版社,2008