基于PID控制的隔振系统反馈放大电路分析

摘 要

PID控制是隔振系统中常用的控制方法，本文主要介绍了一种基于PID控制的隔振系统反馈电路，其主要采用的是PI电路，推导出系统的传递函数，进而分析出系统阻尼、周期和电阻、电容之间的关系，通过对系统电阻、电容的参数进行合适的设置，可以得到所期望的系统阻尼、周期及传递函数。

【关键词】PID控制 隔振 反馈放大

PID控制是一种负反馈控制，是一种比较精确的反馈控制，其具有以下优点：原理简单、使用方便；m应性强，可广泛应用于各种场合；鲁棒性强，其控制品质对被控对象特性的变化不太敏感。因此，PID控制是隔振系统中常用的控制方法。

1 PID控制原理

PID控制电路主要由比例电路（P）、积分电路（I）以及微分电路（D）构成：

1.1 比例环节（P）

比例电路可以成比例的反映控制系统的偏差信号，系统偏差一旦产生，调节器立即产生与其成比例的控制作用，以减小偏差，比例控制反映快，但对于某些系统，可能存在稳态误差，增大比例系数，系统的稳态误差减小，但稳定性可能变差。

1.2 积分环节（I）

用于消除稳态误差，提高系统的无差度，积分作用的强弱取决于积分常数，积分常数越大，积分速度越慢，积分作用越弱，反之则越强，积分环节可以使系统的频带变窄。

1.3 微分环节（D）

微分环节反应偏差信号的变化速率，具有预见性，能预见信号的变化趋势，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期的修正信号，从而加快系统的响应速率，减小调节时间。

2 反馈放大电路

本系统中主要采用PI电路，PI电路中比例电路主要影响响应速率，比例参数越大，响应速度越快，但是当比例参数太大时，会引起比较大的超调和振荡，使得整个系统不稳定。积分参数主要影响静态精度，消除静差，当系统处于稳定状态时，积分参数越大，积分速度越慢，在偏差较大时，PI控制主要以提高系统动态响应速度为主。

反馈放大电路图如图1所示，利用三个运算放大器状态变量来实现伺服放大，运算放大器采用OP27。OP27是一款高精度、低温漂运算放大器，其失调电压小且不随温度的变化而变化，常用在精密仪器、弱信号检测等自动控制系统中。第一级和第二级电路为积分电路（I），第三级电路为比例电路（P），共同组成了比例积分（PI）电路。

图1中电路的独特特性在于跟随在第一级放大电路后的节点是反相带通滤波器，而后一个节点是反相低通滤波器，两个节点的传递函数分别为：

由式（7）和（8）可以看出，通过对电阻R和电容C的参数进行合适的设置，可以得到所期望的阻尼、周期以及系统的传递函数，但积分电路（I）中积分系数不宜过大，否则会破坏系统的稳定性，系统的收敛特性将受到影响，甚至趋于发散；比例电路（P）则会改变系统的阻尼系数，系统的振荡周期会相应减小。

3 结语

利用PID控制可以提高系统的稳定性，反馈电路中的积分电路（I），可维持系统的稳定，但积分系数不宜过强，否则将会影响系统的收敛特性；比例电路（P），会减小系统的振荡周期。对系统进行比例、积分控制，并设置合适的参数，可以得到所期望的阻尼、周期及传递函数。

参考文献

[1]蔡璇，闫加胜，梅洁颖.一种应用于温度控制系统的PID控制电路设计[J].电子世界，2014，30（16）：121.

[2]李国平，魏燕定，陈子辰.精密设备系统主动隔振的基础理论与技术[J].兵工学报，2004，25（04）：462-466.

[3]李刚，胡华，伍康等.基于零长弹簧的超低频垂直隔振系统研究[J].振动与冲击，2015，34（07）：33-37.