PID控制算法在傳感器電路中的應(yīng)用(04-100)

　　PID(比例—積分—微分)控制器，廣泛應(yīng)用于傳感器和工業(yè)控制中。PID控制算法的一種傳統(tǒng)表示式為：

　　式中：t—時(shí)間；E—控制過(guò)程變量，E通常是跟蹤誤差，等于傳感器實(shí)際測(cè)量值減設(shè)置點(diǎn)值；P—比例增量；I—積分增量的反商；D—微分增量。

　　參量P、I和D是特定應(yīng)用中控制器的可調(diào)設(shè)置?？刂破饔每刂乒ぷ鱋UTPUT，定標(biāo)之后并經(jīng)調(diào)節(jié)控制器(例如開關(guān))迫使控制過(guò)程接通和穩(wěn)定在設(shè)置點(diǎn)(即E=0)。

　　方程(1)右邊第一項(xiàng)代表P模式或P操作，這是表示控制環(huán)路速度和穩(wěn)定性的基本模式。有時(shí)單獨(dú)實(shí)現(xiàn)P模式。意想不到的P模式原來(lái)是誤差百分比，P模式可保證過(guò)程將穩(wěn)定在設(shè)置點(diǎn)。事實(shí)上，實(shí)際的P模式控制器就穩(wěn)定在不是設(shè)置點(diǎn)的地方(即E≠0)。下面簡(jiǎn)化的P模式模型可以說(shuō)明此疑題：

　　在這里我們假定傳感器的測(cè)量M正比于控制工作OUTPUT。假定定標(biāo)因數(shù)C是1并達(dá)到OUTPUT=SET POINT，于是無(wú)限增益P包含在方程(2)中是與事實(shí)不符的。所以，P模式不可能完全消除誤差。

　　為了克服上面所討論的P模式局限性，所以，把方程(1)中第2項(xiàng)積分I模式引入計(jì)算中。此積分表示在規(guī)定時(shí)間標(biāo)定內(nèi)所有上述誤差，它等于稍微改變的設(shè)置點(diǎn)，所以，控制器完全可消除誤差。雖然I模式能平均噪聲，但往往會(huì)積聚慢變化的誤差。雖然現(xiàn)在的誤差為零，但控制器力圖修正過(guò)去的誤差，調(diào)整過(guò)程偏離設(shè)置點(diǎn)并導(dǎo)致控制不穩(wěn)定。這種行為特別可能發(fā)生在慢速控制系統(tǒng)中，在這種情況下，必須組合P模式來(lái)獲得控制穩(wěn)定性。

　　方程1中的第3項(xiàng)D模式用于加速控制運(yùn)算以及防止過(guò)反應(yīng)。D模式只在過(guò)程正在迅速變化時(shí)起作用。若有突然干擾使過(guò)程偏離設(shè)置點(diǎn)，則D模式在控制工作范圍內(nèi)立即產(chǎn)生1個(gè)小的響應(yīng)來(lái)快速降低過(guò)程誤差。另外，若逼近設(shè)置點(diǎn)的速率太快，則D模式將減速過(guò)程以避免控制過(guò)沖。數(shù)字上，D模式中的微分在控制工作中增加超前時(shí)間，有效地補(bǔ)償P和I模式中的延遲。然而，濫用D模式可能導(dǎo)致過(guò)程不穩(wěn)定，這是因?yàn)榭焖偎矐B(tài)信號(hào)噪聲可能在D模式中產(chǎn)生大的信號(hào)尖峰并導(dǎo)致控制過(guò)反應(yīng)。這可能是快速系統(tǒng)中的一個(gè)問(wèn)題。所以，D模式應(yīng)限制只用于初始和前端誤差校正，然后轉(zhuǎn)交控制到P和I模式。

　　雖然流行的PID控制大多數(shù)與數(shù)字微處理器(mP)有關(guān)，但基本原理適用于傳感器。例如，借助于軟件或硬件(或兩者組合)的PID控制在前置μP信號(hào)條理中采用P模式。這通常涉及到用放大器和濾波器來(lái)提高μP的ADC端口中的SNR。I模式應(yīng)用可簡(jiǎn)單地解一組取樣的均方根、平均或標(biāo)準(zhǔn)偏差。D模式只不過(guò)求出經(jīng)過(guò)時(shí)間的信號(hào)斜率。為了得到最佳性能，任何控制操作必須基于從所有3個(gè)模式得到盡可能多的信息。