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PID控制算法在传感器电路中的应用(04-100)

—— PID控制算法在传感器电路中的应用
作者:时间:2008-04-01来源:电子产品世界

  (比例—积分—微分)控制器,广泛应用于传感器和工业控制中。控制算法的一种传统表示式为:

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/81035.htm

 

  式中:t—时间;E—控制过程变量,E通常是跟踪误差,等于传感器实际测量值减设置点值;P—比例增量;I—积分增量的反商;D—微分增量。

  参量P、I和D是特定应用中控制器的可调设置。控制器用控制工作OUTPUT,定标之后并经调节控制器(例如开关)迫使控制过程接通和稳定在设置点(即E=0)。

  方程(1)右边第一项代表P模式或P操作,这是表示控制环路速度和稳定性的基本模式。有时单独实现P模式。意想不到的P模式原来是误差百分比,P模式可保证过程将稳定在设置点。事实上,实际的P模式控制器就稳定在不是设置点的地方(即E≠0)。下面简化的P模式模型可以说明此疑题:

  在这里我们假定传感器的测量M正比于控制工作OUTPUT。假定定标因数C是1并达到OUTPUT=SET POINT,于是无限增益P包含在方程(2)中是与事实不符的。所以,P模式不可能完全消除误差。

  为了克服上面所讨论的P模式局限性,所以,把方程(1)中第2项积分I模式引入计算中。此积分表示在规定时间标定内所有上述误差,它等于稍微改变的设置点,所以,控制器完全可消除误差。虽然I模式能平均噪声,但往往会积聚慢变化的误差。虽然现在的误差为零,但控制器力图修正过去的误差,调整过程偏离设置点并导致控制不稳定。这种行为特别可能发生在慢速控制系统中,在这种情况下,必须组合P模式来获得控制稳定性。

  方程1中的第3项D模式用于加速控制运算以及防止过反应。D模式只在过程正在迅速变化时起作用。若有突然干扰使过程偏离设置点,则D模式在控制工作范围内立即产生1个小的响应来快速降低过程误差。另外,若逼近设置点的速率太快,则D模式将减速过程以避免控制过冲。数字上,D模式中的微分在控制工作中增加超前时间,有效地补偿P和I模式中的延迟。然而,滥用D模式可能导致过程不稳定,这是因为快速瞬态信号噪声可能在D模式中产生大的信号尖峰并导致控制过反应。这可能是快速系统中的一个问题。所以,D模式应限制只用于初始和前端误差校正,然后转交控制到P和I模式。

  虽然流行的控制大多数与数字微处理器(mP)有关,但基本原理适用于传感器。例如,借助于软件或硬件(或两者组合)的PID控制在前置μP信号条理中采用P模式。这通常涉及到用放大器和滤波器来提高μP的ADC端口中的SNR。I模式应用可简单地解一组取样的均方根、平均或标准偏差。D模式只不过求出经过时间的信号斜率。为了得到最佳性能,任何控制操作必须基于从所有3个模式得到尽可能多的信息。


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关键词: PID 传感器电路

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