基于PID控制的隔振系統反饋放大電路分析

吳歡

摘 要

PID控制是隔振系統中常用的控制方法，本文主要介紹了一種基于PID控制的隔振系統反饋電路，其主要采用的是PI電路，推導出系統的傳遞函數，進而分析出系統阻尼、周期和電阻、電容之間的關系，通過對系統電阻、電容的參數進行合適的設置，可以得到所期望的系統阻尼、周期及傳遞函數。

【關鍵詞】PID控制 隔振 反饋放大

PID控制是一種負反饋控制，是一種比較精確的反饋控制，其具有以下優點：原理簡單、使用方便；適應性強，可廣泛應用于各種場合；魯棒性強，其控制品質對被控對象特性的變化不太敏感。因此，PID控制是隔振系統中常用的控制方法。

1 PID控制原理

PID控制電路主要由比例電路（P）、積分電路（I）以及微分電路（D）構成：

1.1 比例環節（P）

比例電路可以成比例的反映控制系統的偏差信號，系統偏差一旦產生，調節器立即產生與其成比例的控制作用，以減小偏差，比例控制反映快，但對于某些系統，可能存在穩態誤差，增大比例系數，系統的穩態誤差減小，但穩定性可能變差。

1.2 積分環節（I）

用于消除穩態誤差，提高系統的無差度，積分作用的強弱取決于積分常數，積分常數越大，積分速度越慢，積分作用越弱，反之則越強，積分環節可以使系統的頻帶變窄。

1.3 微分環節（D）

微分環節反應偏差信號的變化速率，具有預見性，能預見信號的變化趨勢，并能在偏差信號的值變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期的修正信號，從而加快系統的響應速率，減小調節時間。

2 反饋放大電路

本系統中主要采用PI電路，PI電路中比例電路主要影響響應速率，比例參數越大，響應速度越快，但是當比例參數太大時，會引起比較大的超調和振蕩，使得整個系統不穩定。積分參數主要影響靜態精度，消除靜差，當系統處于穩定狀態時，積分參數越大，積分速度越慢，在偏差較大時，PI控制主要以提高系統動態響應速度為主。

反饋放大電路圖如圖1所示，利用三個運算放大器狀態變量來實現伺服放大，運算放大器采用OP27。OP27是一款高精度、低溫漂運算放大器，其失調電壓小且不隨溫度的變化而變化，常用在精密儀器、弱信號檢測等自動控制系統中。第一級和第二級電路為積分電路（I），第三級電路為比例電路（P），共同組成了比例積分（PI）電路。

圖1中電路的獨特特性在于跟隨在第一級放大電路后的節點是反相帶通濾波器，而后一個節點是反相低通濾波器，兩個節點的傳遞函數分別為：

由式（7）和（8）可以看出，通過對電阻R和電容C的參數進行合適的設置，可以得到所期望的阻尼、周期以及系統的傳遞函數，但積分電路（I）中積分系數不宜過大，否則會破壞系統的穩定性，系統的收斂特性將受到影響，甚至趨于發散；比例電路（P）則會改變系統的阻尼系數，系統的振蕩周期會相應減小。

3 結語

利用PID控制可以提高系統的穩定性，反饋電路中的積分電路（I），可維持系統的穩定，但積分系數不宜過強，否則將會影響系統的收斂特性；比例電路（P），會減小系統的振蕩周期。對系統進行比例、積分控制，并設置合適的參數，可以得到所期望的阻尼、周期及傳遞函數。

參考文獻

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