PID调节电路的设计(贺铁梅2012.5.25)

湖南文理学院
课程设计报告
课程名称：电子电工课程实习
专业班级：自动化10101班学号39 学生姓名：贺铁梅
指导教师：王文虎
完成时间：2012年6 月15 日报告成绩：
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
模拟PID调节电路的设计 (1)
第一章PID调节的基本原理 (1)
1.1常规模拟PID控制系统原理 (1)
1.2本课题的PID调节的四种控制系统结构 (2)
1.2.1 比例（P）结构 (2)
1.2.2 比例积分（PI）结构 (2)
1.2.3 比例微分(PD)结构 (3)
1.2.4 比例积分微分（PID）结构 (4)
1.3数字式PID调节 (4)
1.4实现P、PI、PD、PID调节电路输出方案分析 (4)
1.5三种电路结构的比较 (5)
第二章串并联混合式模拟PID调节电路的基本单元及电路分析 (6)
2.1PID调节的基本电路单元 (6)
2.1.1 反相比例（P）放大电路 (6)
2.1.2 反相积分（I）电路 (6)
2.1.3 反相微分（D）电路 (7)
2.2基本调节单元的电路分析 (7)
2.2.1 比例（P）调节电路 (7)
2.2.2 比例积分（PI）调节电路 (8)
2.2.3 比例微分（PD）调节电路 (10)
2.2.4 数字式调节功能选择单元 (11)
第三章基于MULTISIM 10.0 仿真软件对电路的分析 (11)
3.1反相积分微分电路的仿真 (12)
3.1.1 反相积分电路的阶跃响应及频率特性 (12)
3.1.2 反相微分电路的阶跃响应及频率特性 (13)
3.2串并联混合式PID调节单元仿真 (14)
3.2.1 数字式调节模式选择单元仿真 (14)
3.2.2 P调节电路的阶跃响应 (14)
3.2.3 PD调节电路的阶跃响应 (15)
3.2.3 PI调节电路的阶跃响应 (15)
3.2.3 PID调节电路的阶跃响应 (15)
总结 (17)
参考文献 (18)
致谢 (19)
附录一仿真图 (20)
附录二原理图 (21)
附录三元件明细表 (22)
PID调节规律是最典型的控制系统调节，广泛应用于工业控制中。

模拟式PID调节是最典型的一种，它由比例（P）、积分（I）、微分（D）三种基本电路构成。

P调节的特点是有差调节，调节器动作快，对干扰能及时和有很强的抑制作用。

I调节的特点是能消除静态偏差。

D调节作用是超前的调节作用，有利于克服动态偏差。

可通过集成放大器（LM741）对信号的运算放大，结合数字器件二—四线数据选择器（74LS139）、六反相器（74LS04）以及四传输门（4066BT）的对调节功能的选择根据不同的需求实现P调节、PI调节、PD 调节以及PID调节的选择性输出。

再借助Multisim10.0对电路进行P调节、PI调节、PD 调节以及PID调节的仿真，来体现设计的可靠性、合理性。

关键词比例;微分;积分;PID调节;Multisim10.0仿真
Abstract
Law of the PID regulator is the most typical control system for regulating, widely used in industrial control. Analog PID regulator is the most typical one, which consists of three basic circuit of the proportion(P),integral (I), differential (D). P regulation is characterized by differential regulation,the regulator moves fast to interfere with a timely and very strong inhibition. I regulation is that it can eliminate the static deviation. D regulation s are ahead of the regulatory role and help to overcome the dynamic deviation. Integrated amplifier( LM741) amplification of the signal operation, combined with digital devices-four-line data selector (74LS139), six inverter(74LS04), and four transmission gate(4066BT) according to the different choice of the regulatory function demand for P-controller, PI controller, the PD regulation and the selective output of the PID regulator. With Multisim 10.0circuit P regulation, the PI regulator, adjust the PD and PID control simulation to reflect the reliability of the design, rationality.
Keywords Proportion, Integration, Differentiation,PID regulator ,Multisim10.0 Simulation
模拟PID 调节电路的设计
PID 调节在工程实际应用中是最为广泛的，PID 调节既为比例（P ）调节，积分（I ）调
节，微分（D ）调节。

PID 控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性
好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

本课题设计包括P 调节电路、
PI 调节电路、PD 调节电路、P 、PI 、PD 串并联混合式模拟电路。

当给控制系统一个2V
阶跃信号时，观察它的输出。

第一章 PID 调节的基本原理
将偏差的比例（Proportion ）、积分（Integral ）和微分（Differential ）通过线性组合构成
控制量，用这一控制量对被控对象进行控制，这样的控制器称PID 控制器。

1.1 常规模拟PID 控制系统原理
PID 调节器的输出与静态偏差关系：
])()(1)([)(0⎰++=t dt
t de Td dt t e Ti t e Kp t U 其中：U(t)——控制器的输出
e(t)——控制器的输入（常常是被控量与设定值之差即e(t)=r(t)-y(t)）
Kp ——控制器的比例系数
Ti ——控制器的积分时间，也称积分系数
Td ——控制器的微分时间，也称微分时间
比例环节的作用:对偏差瞬间作出反应。

偏差一旦产生控制器立即产生控制作用，使
控制量向减少偏差的方向变化。

控制作用的强弱取决于比例系数，比例系数越大，控制作
用越强，则过渡过程越快，控制过程的静态偏差也就越小；但是越大，也越容易产生振荡，
破坏系统的稳定性。

积分环节的作用:消除静态误差，但会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。

图1.1 常规模拟PID 控制系统原理图
图1.2.2 比例积分控制系统原理图
差变化的越快，微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。

1.2 本课题的PID 调节的四种控制系统结构
本文中所研究的是模拟式PID 电路在给定2V 的阶跃信号的情况下，分别使用比例
（P ）、比例积分（PI ）、比例微分（PD ）、比例积分微分（PID ）并联式电路进行调节，来
研究输出信号与调节电路中各参数的关系。

1.2.1 比例（P ）结构
P 调节器的输出与静态偏差关系：
0)()(u t e Kp t U +=
其中：U(t)——控制器的输出
e(t)——控制器的输入（常常是被控量与设定值之差即e(t)=r(t)-y(t)）
Kp ——控制器的比例系数
合理的选择比例系数，可以达到过渡时间少、静差小，电路又稳定的效果。

①特点：控制系统调节及时，过渡过程结束时有余差，系统的稳定性降低。

②适用：滞后较小，负荷变化较小，工艺要求不高时，可选择比例控制。

如储罐压力和
液位控制。

1.2.2 比例积分（PI ）结构
图1.2.1 比例调节控制系统原理图
PI 调节器的输出与静态偏差关系：
⎰++=t t u dt t e Ti t e Kp U 0
0)(])(1)([ 其中：U(t)——控制器的输出
e(t)——控制器的输入（常常是被控量与设定值之差即e(t)=r(t)-y(t)）
Kp ——控制器的比例系数
Ti ——控制器的积分时间，也称积分系数
积分环节可以消除静态误差，积分常数越大，积分的积累作用越弱，这时系统在过
渡时不会产生振荡；但是增大积分常数会减慢静态误差的消除过程，消除偏差所需的时间
也较长，但可以减少超调量，提高系统的稳定性。

当Ti 较小时，则积分的作用较强，这
时系统过渡时间中有可能产生振荡，不过消除偏差所需的时间较短。

所以必须根据实际控
制的具体要求来确定Ti 。

通常用来改善系统的稳定性能。

①特点：过渡过程结束时无余差，但系统的稳定性降低。

②适用：滞后较小，负荷变化不大，被控量不允许有余差的控制系统,如管道压力和流量
控制。

1.2.3 比例微分(PD)结构
PD 调节器的输出与静态偏差关系：
0])()([)(u dt
t de Td t e Kp t U ++= 其中：U(t)——控制器的输出
e(t)——控制器的输入（常常是被控量与设定值之差即e(t)=r(t)-y(t)）
Kp ——控制器的比例系数
Td ——控制器的微分时间，也称微分时间
微分环节的引入，将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对髙阶
图1.2.3 比例微分控制系统原理图
些噪声较大的系统一般不用微分，或在微分起作用之前先对输入信号进行滤波。

①特点：控制系统的响应速度快，过渡过程结束时有余差，但系统的抗干扰能力降低。

②适用：滞后较大，被控量允许有余差的控制系统 。

1.2.4 比例积分微分（PID ）结构
该结构与常规模拟PID 控制系统的结构是一样的。

与PI 控制系统相比，PID 控制系统除了同样具有提高系统的稳定性能优点外，还可以
提供一个负实部零点，因此在提高系统动态方面有很大的优越性，与PD 控制系统相比，
PID 系统也具有减少超调量，加快反应，是综合了PI 系统与PD 系统的长处与短处的控制。

从频域角度看，PID 控制通过积分作用于系统的低频段，以提高系统的稳定性，而微分作
用于系统的中频段，以改善系统的动态性能。

①特点：对克服对象的容量滞后有显著的效果。

②适用：负荷变化大，容量滞后大，控制质量要求很高的系统。

1.3 数字式PID 调节
数字PID 控制算法在工程应用中的实现技术，包括采样周期、字长的选取，无扰切换与
抗积分饱和算法，控制器的正反作用方式等等。

由于本课题研究探讨的是模拟PID 调节，
因此不给予详细的讨论。

只是涉及到了数字开关控制部分。

1.4 实现P 、PI 、PD 、PID 调节电路输出方案分析
在一个电路中实现P 、PI 、PD 、PID 调节电路四种输出，把比例、积分、微分电路经过
不同组合、变换得到三种可供选择的电路结构，具体如下：
结构一：该结构采用P 运算、I 运算、D 运算串联式结构，并在I 运算部分接个开关，在
需要实现PD 运算输出时，将此开关闭合，即将I 部分短路，便可实现PD 输出。

该结构无
法实现P 、PI 、PD 、PID 四种运算同时输出，而且引入开关将某一部分进行短路，造成了
元件在一定程度上的资源浪费。

具体结构图如图1.3.1所示。

结构二：该结构采用P 运算、PI 运算、PD 运算并联式结构，将比例电路、比例积分电路、
比例微分电路的输入并联起来，并在P 、PI 、PD 、PID 调节电路后引出输出端，再经过合
适的单元选择，就可以输出P 运算、PI 运算、PD 运算、PID 运算任一运算结构，在一定
图1.3.1 串联式PID 调节电路结构
进行研究探讨。

具体结构图如图1.3.2所示。

结构三：该结构采用I 运算与D 运算并联，再与P 运算串联的串并联混合式结构，该结构
明了清晰，可以达到本课题研究探讨的要求，实现四种运算的输出，所采用的硬件单元较
少，电路图不会很复杂，实现起来方便。

具体结构图如图1.3.3所示。

1.5 三种电路结构的比较
在硬件结构设计过程中，电路形式的选择必须与实际情形联系起来，要从各个方面考虑
设计的可行性，不仅要考虑其先进性也要考虑实现性，要综合多方面考虑寻求最佳方案。

串联式结构PID 调节电路中所使用的元器件数少，成本低，易于制作。

但是由于它的部
分元件使用率不高，造成一定的资源浪费，同时在进行一种调节时改变另一种调节的参数，
使得调节效果不佳，另外，它中间使用了开关控制，使部分电路短路，从一定程度上来说
降低了其优越性。

在实际调节过程中，可能用到P 调节、PI 调节、PD 调节以及PID 调节
模式中的任意一种。

并联式模拟PID 调节电路结构中，引出了四个输出端以分别实现上
述调节模式，但是，其使用的元件较多，成本相对来说较高。

还增加了参数调节的复杂度，
因此在本课题研究中也不采用。

而串并联混合式结构，不但实现了上述四种调节的输出，
在元件使用方面也相对并联式结构来说较少，降低了成本。

电路的复杂度也没并联式高，
更便于调节其参数。

从各方面来说，其优越性得以体现，因此在本课题研究中，将采用串
并联混合式模拟PID 调节电路结构来进行研究探讨。

图1.3.2 并联式PID 调节电路结构
图
1.3.3 串并联混合式PID 调节电路结构
2.1 PID 调节的基本电路单元
任何事物不是单独存在的，其存在总与别的事物有或近或远的关联。

串并联混合式PID
调节电路也是的，分别由比例环节（P ），积分环节（I ），微分环节（D ）所构成的，下
面介绍一下串并联混合式PID 调节电路的各个基本构成单元。

2.1.1 反相比例（P ）放大电路
电路图如右图2.1.1所示：
电路的特点：
①电路呈电压并联负反馈，在深度负反馈的条件下，运放的增益 仅由外接电阻R 1 、
R 2的值确定；
②保证反相端共模平衡，避免产生附加的差动反
相端与同相端，外接阻抗平衡（R 3= R 1 // R 2）；
③运放同相端接地，因此其反相“虚地”，就前级
输入信号而言负载不是运放本身的输入电阻，而是
电路的闭环输入电阻R 1。

由于R 1= R 2，因此反相比例放大电路只适用于信号源对负载电阻要求不高的场合（小于500k Ω）。

表 1.1 反相比例放大电路特性
主要闭环增益 理想运放 实际运放
闭环增益 21/VF A R R =-
21/ 11/VF ON R R A KA =-
+ 输入电阻
1i R R = 21//1i id OV R R R R A =++ 输出电阻 0oc R = 1o oc OV R R KA =+ 在深度负反馈的条件下输出电阻很小。

在反相比例放大电路设计时，要考虑多种因素选
择运放参数。

PID 调节电路的输入、输出要求为：输入1～5V 的电压信号，输出5～20mA
的电流。

由于运算放大器LM741的工作电压选用为±15V ，为了保证反馈环节避免发生
自激振荡，因此比例放大的增益不能超过3，R 2与R 1的比值也就不能超过3。

2.1.2 反相积分（I ）电路
电路图如右图2.1.2所示。

在复频域分析中，积分电路的传递函数可以用下式表示： 222111U ()I ()Z ()Z ()11G()U ()I ()Z ()Z ()RC T o i s s s s s s s s s s s ==-=-=-=- i u o u 图 2.1.1 反相比例放大电路 o
u i u
时域分析：)0(++-=-
=-=⎰⎰o i c c o u dt u RC
dt i C u u 频域分析：。

90..<=RC
V V i o ω——积分网络构成一个超前移相网络，且相位移为。

90。

从频率分析中可知：当输入时阶跃输入，即)0(≥=t u u s i ，
t RC
u t u u s s
o -=-=τ，输出随时间线性增大。

2.1.3 反相微分（D ）电路
与积分电路相比，就是R 、C 的位置交换了一下，
电路图 如图1.3所示。

时域分析：dt du RC dt du RC
Ri u i o o -=-=-= 频率分析：。

90..<=i O V RC V ω——微分网络构成
一个滞后移相环节，且相位移为。

90。

基本微分电路的理论分析基于理想运放，说明该电路具有微分特性，但在实际使用过程中存在稳定性差、易吸收高频干扰、在高频电路中输入阻抗很小的缺点，很少用于实际电路。

实用的微分电路必须在此基础上进行改进。

改进后的微分电路图如图2.1.4所示。

图中：1R ＜＜11C ω、C ω1＞＞R 这样，1R 、C 基本对微分电路不影响，只有当频率高
到一定程度时，1R 、C 才起作用，抑制高频信号。

另外，C 、R 构成一个超前环节，对相位进行补偿，提
高了电路的稳定性。

C 2也起到了抑制高频信号的作用。

2.2 基本调节单元的电路分析
2.2.1 比例（P ）调节电路
比例调节电路单元如图2.2.1.1所示。

在P 调节中，调节器的输出信号u o 与偏差信号u i （e ）成比例，即：
e K u RP R u C i o =-=1
2 图2.1.
3 反相微分电路 u o u i 图2.1.
4 实际应用微分电路
u i
u o
c 制器，控制器的增益Kc 为正;反之则反。

)。

当偏差e 为零因而u ＝0时，并不意味着调节器没有输出，它只说明此时有u ＝u0. 在过程
控制中习惯用增益的倒数表示调节器输入与输出之间的比例关系：
e u o δ1
=
其中δ称为比例带。

比例调节的残差随着比例带的加大而加大。

从这一方面考虑，希望尽量减小比例带。

但是一旦减小比例带就等于加大调节系统的开环增益，其后果是导致系统激烈振荡甚至不稳定。

稳定性是任何闭环控制系统的首要要求，比例带的设置必须保证系统具有一定的稳定度。

δ很大意味着调节参考值的动作幅度很小，因此被调量的变化比较平稳，甚至可以没有超调，但残差很大，调节时间也很长。

减小δ就加大了调节参考值的动作幅度，引起被调量来回波动，但系统仍可能是稳定的，残差相应减小。

δ具有一个临界值，系统处于稳定边界的情况，进一步减小δ系统就不稳定了；δ的临界值δcr 可以通过试验测定出来；如果被调对象的数学模型已知，根据控制理论计算出来。

2.2.2 比例积分（PI ）调节电路
比例积分调节电路单元如图2.2.2.1所示：
图2.2.1.2 δ对于比例调节的影响 图 2.2.1.1 比例调节单元
图2.2.2.1 比例积分调节单元
就是综合P 、I 两种调节的优点，利用P 调节快速抵消干扰的影响，同时利用I 调节消除残差。

比例积分调节有比例调节，即将输入偏差信号立即放大输出，又有积分调节作用，即输入偏差使调节器输出变化按时间逐渐积累从而消除静差。

其调节规律为 ：
dt e S e k u t
c ⎰+=00 )1
(1
0dt e T e u t
I ⎰+=δ 残差的消除是PI 调节器积分动作的结果。

积分部分的阀位输出使调节参考值开度最终得以到达抵消扰动所需的位置。

比例部分的阀位输出Up 在调节过程的初始阶段起较大作用，但调节过程结束后又返回到扰动发生前的数值。

PI 调节引入积分动作带来消除系统残差，却降低了原有系统的稳定性。

为保持控制系统原来的衰减率，PI 调节器比例带必须适当加大。

PI 调节在比例带不变的情况下，减小积分时间T I ，将使控制系统稳定性降低、振荡加剧、调节过程加快、振荡频率升高。

具有积分作用的调节器，只要被调量与设定值之间存在偏差，其输出就会不停的变化。

如果由于某种原因，被调量偏差一时无法消除，PI 控制器的输出由于积分作用的不断累加而加大，从而导致输出达到极限位置。

调节器输出将进入深度饱和状态，这种现象称为积分饱和。

进入深度饱和的调节器，要等被调量偏差反向以后才慢慢从饱和状态中退出来，重新恢复控制作用。

不管是在设计PI 调节器，还是PID 调节器中，应尽量的通过参数设置来避免这种现象的产生。

图2.2.2.3 比例积分控制系统不同积分时间的
响应过程 图2.2.2.2 比例积分调节的阶跃响应
比例微分电路调节单元如图2.2.3.1所示：
其调节规律为 ：
dt de Td
e k u p += )(1dt de T e u D +=δ
其中：δ为比例带
T D 为微分时间
按照上式，PD 调节的传递函数应为：
)1(1
)(s T G D S C +=δ 工业上实际采用的PD 调节的传递函数是：
11)(+=s K T G D
D s c δ PD 调节的单位阶跃响应图，如图2.2.3.2所示，根据PD 调节的斜坡响应也可以单独测定它的微分时间T D ，如果T D = 0即没有微分动作，那么输出u 将按虚线变化。

微分动作的引入使输出的变化提前一段时间发生，而这段时间就等于T D 。

PD 调节有导前作用，其导前时间即是微分时间T D 。

在稳态下，de ／dt ＝0，PD 调节器的微分部分输出为零，因此PD 调节也是有差调节，与P
调节相同。

微分调节动作总是力图抑制被调量的振荡，它有提高控制系统稳定性的作用。

适度引入微分动作可以允许稍许减小比例带， 同时保持衰减率不变。

图2.2.3.1 比例微分调节单元
作对于纯迟延过程是无效的。

引入微分动作要适度。

在大多数PD 控制系统随着微分时间Td 增大，其稳定性提高，但某些特殊系统也有例外，当TD 超出某一上限值后，系统反而变得不稳定了。

2.2.4 数字式调节功能选择单元
串并联混合式模拟PID 调节电路的可以根据不同的需求选择不同的调节功能，达到输出P 调节、PI 调节、PD 调节以及PID 调节。

其功能选择单元电路如图2.2.4所示。

该电路主要由数据分配器74LS139、反相器74LS04及传输门4066BT 组成。

4066BT 的隔断电阻可达1012Ω，由此可将其四个O/I 口并联起来作为输出。

从J2、J3两输入端输入选择信号，通过74LS139进行数据分配，输出低电平信号，再经由反相器输出高电平信号，并将其作为传输门4066BT 的控制信号来选择不同的调节功能。

其调节功能选择如表2.1所示。

第三章 基于
Multisim 10.0 仿真软件对电路的分析
Multisim 是美国国家仪器（
NI ）有限公司推出的以Windows 为基础的仿真工具，适用于板级的模拟
/数字电路板的设计工作。

拥有电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

界面形象友好、操作简单、分析功能强大、具有
表2.1 调节功能选择
图2.2.3.3 比例微分控制系统不同微分时间的响应过程 图2.2.3.2 比例微分调节的单位阶跃响应 图2.2.4 调节输出选择单元电路
模拟系统仿真；提供了万用表、示波器等九种图形仪器；可进行直流工作点分析、直流扫描分析、交流频率分析、暂态分析等6项基础分析以及失真度、灵敏度等9项高级分析。

Multisim10成功地将系统模拟仿真和虚拟仪器等融为一体，能提供理想和模拟实物两种模式及超过16000个元件外形；可以实时修改各类电路参数、实时仿真, 使得仿真设计的结果更精确、更可靠。

3.1 反相积分微分电路的仿真
3.1.1 反相积分电路的阶跃响应及频率特性
反相积分电路的仿真电路及其阶跃响应如图3.1.1.1所示，图中的J1用于控制阶跃信号的产生。

R3的作用是为了限制积分积分作用，使输出不至于达到饱和。

改变C1的大小即可改变积分时间T I ，T I 越小，积分速度越快，达到最小值的时间也就越短。

各曲线积分时间如图3.1.1.2
所示，曲线越陡峭，对应的积分时间越短。

图3.1.1.1 反积分电路图及其阶跃响应
图3.1.1.2 不同积分时间下反相积分电路的阶跃响应
曲线说明积分电路是低通电路，对高频信号具有抑制作用。

相频特性说明积分调节是超前的调节。

3.1.2 反相微分电路的阶跃响应及频率特性
微分电路的仿真图及其阶跃响应如图3.1.2.1所示。

图中J1用于产生阶跃信号。

当给出一个阶跃信号时，微分电路便作出反应，由于R3、R4所构成的比例放大电路的限制，微分作用所产生的脉冲只能达到-4.991V ，即与阶跃信号的稳定值相等。

随后电压根据指数变化的规律上升。

实际微分电路的幅频特性及相频特性如图3.1.2.2
所示。

从频域方面分析，图中的幅
图3.1.2.1 微分电路的阶跃响应
图3.1.1.3 反相积分电路的相频特性及其幅频特性
节是滞后的调节。

改变C1的大小即可改变微分上升时间和下降幅度，T D 越小，微分速度越快，达到最小值的时间也就越大及幅度变化越小，电路越稳定。

各曲线如图3.1.2.3所示，曲线幅度越小，对应的微分时间越小。

3.2 串并联混合式PID 调节单元仿真
3.2.1 数字式调节模式选择单元仿真
如图3.2.1所示的是数字调节模式选择单元，当9号线、10号线输入端输入为低电平时，传输门4066BT 的第一个门导通。

S1脚所对应的模式就能通过第一个传输门得实现。

通过给9号线、10号线两端输送不同的电平信号可实现4066BT 中任一门的导通，从而完成对串并联式模拟PID 调节器中P 调节、PI 调节、PD 调节以及PID 调节模式的选择。

3.2.2 P 调节电路的阶跃响应
如图附录一所示，J2、J3同时接低电平，即选择了P 调节功能，当给定2V 的阶跃信号时，P 调节器作出的反应如图3.2.2所示。

经过P 调节的波形产生的180o 相位移，幅值大小取决于比例增益K C 的大小。

K C 越大，系统的稳定域度减小，系统越有可能不稳定（K C =1）。

图3.2.1 数字式调节模式选择单元
图3.1.2.3 不同微分时间下的反相微分电路的阶跃响应
3.2.3 PD 调节电路的阶跃响应
如图附录1所示，J2接低电平，J3接高电平，即选择了PD 调节模式，当给定2V 的阶跃信号时，PD 调节器作出的反应如图3.2.3所示。

从图中可以看出，稳定后的幅值由比例增益的大小来决定（K C =1，T D =154ms ）。

3.2.3 PI 调节电路的阶跃响应
如图附录1所示，J1、 J2同接高电平，即选择了PI 调节模式，当给定2V 的阶跃信号时，PI 调节器作出的反应如图3.2.3所示。

T 1轴处幅值大小是由比例调节所控制的，T 2轴处幅值为2V ，恰好是比例调节与积分调节共同作用后的结果（KC=1，T I =132ms ）。

3.2.3 PID 调节电路的阶跃响应
如图附录1所示， J2接高电平，J3接低电平，即选择了PID 调节模式。

下面，在给定2V 的阶跃信号的条件下，分别改变比例增益、积分时间、微分时间，来观察经由PID 调节后的输出情况。

同时改变R1、R3的值即可改变比例增益K C ，K C 的大小对于
PID
图3.2.3 PD 调节的阶跃响应
图3.2.2 P 调节的阶跃响应
图3.2.3 PI 调节的阶跃响应
小（此时T I=135ms，T D=125ms）。

的大小即可改变微分时间T D，从而可改变微分作用的强弱。

T D的长短对于PID调节的影响如图表3.3所示。

T D越小，调节的速度越快。

反映到系统中表现为加快了系统的动作速度，减小了调整时间，改善了系统的动态性能（此时K C=0.4，T I=135ms）。

总结
PID调节规律是自动控制系统最典型而又常见的控制策略，其中模拟式PID调节器是最基本的实现手段与方式。

模拟式PID调节电路主要有三种不同的结构形式：串联式、并联式以及串并联混合式结构，这几种调节电路结构主要由比例、积分、微分三种基本电路构成。

各种电路有着不同的调节规律：比例调节规律的作用是，偏差一出现就能及时调节，但调节作用同偏差量是成比例的，调节终了会产生静态偏差；积分调节规律的作用是，只要有偏差，就有调节作用，直到偏差为零，因此它能消除偏差。

但积分作用过强，又会使调节作用过强，引起被调参数超调，甚至产生振荡；微分调节规律的作用是，根据偏差的变化速度进行调节，因此能提前给出较大的调节作用，大大减小了系统的动态偏差量及调节过程时间。

但微分作用过强，又会使调节作用过强，引起系统超调和振荡。

本文中所研究的主要是“串并联混合”式模拟PID调节电路，根据不同的需求可以用其构成P调节、PI调节、PD调节以及PID调节功能。

调节功能的选择是基于数字器件二—四线数据选择器（74LS139）、六反相器（74LS04）以及四传输门（4066BT）实现的。

针对P调节、PI调节、PD调节、PID调节，在给定2V的阶跃信号的条件下，利用Multisim10分别作了电路仿真，通过波形的变化清晰地说明了各电路的调节作用。