一个国外小伙在自家车库里做了个芯片

在去年8 月,芯片制造商英特尔透露了有关其在美国土地上建造“超级工厂”计划的新细节,这是一座耗资 1000 亿美元的工厂,将有 10,000 名工人生产配备数十亿个晶体管的新一代强大处理器。

也就是在同一个月,22 岁的 Sam Zeloof 宣布了自己的半导体里程碑。这个产品是在他家的新泽西车库里独自完成的,距离 1947 年贝尔实验室制造第一个晶体管的地方大约 30 英里。

Zeloof 用一系列回收的自制设备制造了一个带有 1,200 个晶体管的芯片。他将硅片切成芯片,用紫外线对其进行显微设计图案化,然后用手将它们浸泡在酸中,并在 YouTube和他的博客上记录了这一过程。“也许这是过度自信,但我有一种心态,认为另一个人会弄清楚,所以我也可以,即使可能需要更长的时间,”他说。

Zeloof这个芯片是他的第二个作品。2018 年,他在高中毕业时制作了第一个小得多的作品;在那之前的一年,他开始制造单个晶体管。他的芯片在技术上落后于英特尔,但 Zeloof 只是半开玩笑地辩称,他的进步比半导体行业早期的进步更快。他的第二个芯片的晶体管数量是第一个芯片的 200 倍,增长速度超过了摩尔定律,这是英特尔联合创始人创造的经验法则,即芯片上的晶体管数量大约每两年翻一番。

Zeloof 现在希望能赶上英特尔 1971 年突破性的 4004 芯片的规模,这是第一个商用微处理器,有 2300 个晶体管,用于计算器和其他商用机器。12 月,他开始研究可以执行简单加法的临时电路设计。

在 Zeloof 的车库外,大流行引发了全球半导体短缺,从汽车到游戏机的产品供应陷入困境。经过数十年的离岸外包,这激发了决策者对重建美国生产自己的计算机芯片的能力的新兴趣。

车库制造的芯片不会为你的 PlayStation 提供动力,但 Zeloof 说,他不寻常的爱好让他相信,如果没有数百万美元的预算,发明家更容易接触到芯片制造,社会将会受益。“如此高的进入门槛会让你极度厌恶风险,这对创新不利,”Zeloof 说。

2016 年,Zeloof 还在读高中三年级时,他就开始制作自己的芯片。发明家和企业家 Jeri Ellsworth 的 YouTube 视频给他留下了深刻的印象,她在视频中制作了自己的拇指大小的晶体管,其中包括模板切割来自乙烯基贴花和一瓶除锈剂。Zeloof 着手复制 Ellsworth 的项目,并采取他认为合乎逻辑的下一步:从单独的晶体管到集成电路,历史上大约需要十年的时间。Ellsworth现在是一家名为Tilt Five的增强现实初创公司的首席执行官,他说:“他把它向前推进了一大步。” “提醒世界这些看似遥不可及的行业开始于更温和的地方是非常有价值的,你可以自己做。”

计算机芯片制造有时被描述为世界上最困难和最精确的制造过程。当 Zeloof 开始在博客上介绍他的项目目标时,一些行业专家通过电子邮件告诉他这是不可能的。“老实说,这样做的原因是因为我认为这很有趣,”他说。“我想声明,当我们听到不可能的事情时,我们应该更加小心。”

Zeloof 的家人表示支持,但也很谨慎。他的父亲请一位他认识的半导体工程师提供一些安全建议。“我的第一反应是你做不到。这是一个车库,”马克·罗斯曼说,他在芯片工程领域工作了 40 年,现在在一家为 OLED 屏幕制造技术的公司工作。看到泽洛夫的进步,罗斯曼最初的反应缓和了下来。“他做了我从未想过人们会做的事情。”

Zeloof 的项目涉及历史和工程。现代芯片制造在其昂贵的 HVAC 系统清除可能影响其数十亿美元机器的所有灰尘的设施中进行。Zeloof 无法匹配这些技术,因此他阅读了 1960 年代和 70 年代的专利和教科书,当时飞兆半导体等先驱公司的工程师在普通工作台上制造芯片。“他们描述了使用X-Acto刀片和胶带以及一些烧杯的方法,而不是‘我们拥有这台价值 1000 万美元的房间大小的机器,’”Zeloof 说。

Zeloof 还必须为他的实验室配备老式设备。在 eBay 和其他拍卖网站上,他发现了 1970 年代和 80 年代的廉价芯片设备,这些设备曾经属于已关闭的加利福尼亚科技公司。许多设备需要修理,但旧机器比现代实验室机器更容易修补。Zeloof 最好的发现之一是一台破损的电子显微镜,在 90 年代初期价值 250,000 美元;他花了 1,000 美元买了它并修理了它。他用它来检查他的芯片是否有缺陷,以及蝴蝶翅膀上的纳米结构。


Zeloof 修复了在线购买的过时设备,包括电子显微镜,以制造他的芯片。

有时 Zeloof 不得不即兴发挥。就像在真正的芯片工厂中一样,他想使用一种称为光刻的工艺将他的微观细节设计转移到他的设备上。它涉及在光敏材料中涂上芯片,并使用像超精密投影仪这样的设备在模板中进行刻录,该模板将指导后续处理步骤。光刻机非常昂贵——高达 1.5 亿美元——因此 Zeloof 将在亚马逊上购买的一台经过改进的会议室投影仪固定在显微镜上,从而制造了自己的光刻机。它将他的设计以微小的规模投射到硅晶片上,Zeloof 用对紫外线敏感的材料涂敷。

2018 年,Zeloof 在体育课上设计了他的第一个芯片,一个带有六个晶体管的简单放大器,当时一位代课老师指导学生做功课。在他的车库里工作了大约 12 小时,走了 66 步之后,他拥有了 Z1。它以三只跳舞的熊为特色,它们是 Grateful Dead 的象征,现在出现在 Zeloof 的所有芯片上,以感谢乐队的粉丝 Rothman。

Z1 使用了 Zeloof 称之为“1970 年代直接”的晶体管,其尺寸小至 175 微米,大约只有头发那么宽。他将这些芯片放在一个电路板上工作,该电路板会闪烁一个 LED 和一个吉他失真踏板。

2018 年末,Zeloof 开始在卡内基梅隆大学学习电气工程,同时在他的宿舍里对车库制造设备进行黑客攻击。尽管他说他遵守了安全规程,但大学对他宿舍里的 X 光机表示异议。在回家的路上,他升级了他的设置,为他的第二个芯片 Z2 做准备。它使用一种更快的开关晶体管设计,这种设计基于一种称为多晶硅的晶体硅晶片,这种晶片在 1970 年代占据主导地位。

Zeloof 在一个自制的小型转盘上以每分钟 4,000 转的速度旋转手工切割的半英寸见方的多晶硅,每一个都成为一个单独的芯片,并在其上涂上将他的设计转移到表面所需的感光材料。然后他自制的光刻机在他的设计上大放异彩:一个由 12 个电路组成的网格,每个电路有 100 个晶体管(和一只跳舞的熊),总共有 1,200 个晶体管。


图片Zeloof 的第一款芯片 Z1 是在 2018 年制造的,当时他还在上高中,拥有六个晶体管。


Zeloof 正在开发 Z3,这是一款能够增加 1 + 1 的芯片,作为完整微处理器的一个步骤。

然后用酸蚀刻每个芯片,并在大约 1,000 摄氏度的炉子中加热,以烘烤磷原子以调整其导电性。在光刻机下再进行三轮——通过步骤分开,包括在充满发光的紫色等离子体以蚀刻掉多晶硅的真空室中的时间——完成每个芯片。今天的商业晶圆厂以大致相似的方式生产芯片,使用一系列步骤在设计的不同部分逐渐添加和移除材料。这些芯片要复杂得多,有数十亿个小得多的晶体管紧密排列在一起,这些步骤是由机器而不是手工完成的。Zeloof 第二代芯片上的晶体管比他的第一代芯片上的晶体管快大约 10 倍,并且具有小至 10 微米的特性,比红细胞大不了多少。

8 月,Zeloof 将 Z2 连接到他出生前 20 年左右由惠普发布的方形米色半导体分析仪进行测试。在其发光的绿色屏幕上出现一系列平滑上升的电流-电压曲线标志着成功。“这条曲线令人惊叹,”Zeloof 说,“在你整天把这片小晶体碎片浸入装有化学品的烧杯中后,这是生命的第一个迹象。”

当你的自制芯片奏效时如何庆祝?“发推!”泽洛夫说。他的项目赢得了专门的 Twitter 关注和数百万的 YouTube 浏览量,以及 1970 年代半导体行业资深人士提供的一些实用技巧。

Zeloof 说他不确定今年春天毕业后想做什么,但他一直在思考 DIY 芯片制造在现代科技生态系统中的地位。在许多方面,DIY 实验从未像现在这样强大:机器人设备和 3D 打印机很容易买到,而 Arduino 微控制器和Raspberry Pi等黑客友好型硬件也很成熟。“但这些芯片仍然是在某个地方的大工厂生产的,”Zeloof 说。“在使其更易于访问方面进展甚微。”

Ellsworth 的自制晶体管启发了 Zeloof,他说实现高质量的动手芯片制造可能很有价值。“我们今天拥有的工具可以让小规模运营触手可及,对于某些问题,我认为这很有意义,”她说。Ellsworth 表示,对于领先的晶圆厂来说,被视为过时的芯片技术仍然对工程师有用。

Zeloof 最近升级了他的光刻机,可以打印小至约 0.3 微米或 300 纳米的细节,这与 90 年代中期的商业芯片行业大致相当。现在,他正在考虑他可以在英特尔历史悠久的 4004 规模的芯片中构建的功能。“我想进一步推动车库硅片,让人们对我们可以在家中做这些事情的可能性敞开心扉,”他说。

拆解美国FBI秘密跟踪器:揭秘内部电路和设计细节

这次要拆解的居然是美国联邦调查局FBI用的汽车追踪设备?如果你会很奇怪,这么机密的东西到底从来弄来的呢?其实,这是一位叫Karen Thaomas的女士无意间从她的汽车底下发现的。



该追踪设备包括了用于追踪汽车定位的GPS单元,一个RF发射器,主要用于将其位置发送到FBI,还有一组电池,用于设备电源驱动支持。我们不会光为了了解这些而忽略了视觉的享受吧?!现在就为你揭开FBI汽车追踪仪器的神秘面纱!



上图中,顺时针方向依次为电池组、GPS天线、发射/接收单元和磁力安装支架

到底是什么为这神奇的设备提供电源支持的呢?让我们打开这电池组底部寻找答案吧。



原来这设备的电力是由四节太阳能锂电池(Li-SOCl2)提供的

每节电池电池容量高达 13,000 mAh!大约是ipad 2电池的两倍!



这些太阳能电池适合用于低电压、长寿命的接收器/发射器供电环境

我们先从被电线连起来的两个分立的发射/接收模块开始。

上图中较短小的还没连接的那根天线就是将本地信号传送给美国联邦调查局的转调器,FBI就马上可以知道你在哪里了。那根较大的天线则用来接收位于地球上方发出的GPS信号



去掉螺丝后,我们就可以看到GPS天线的内部结构

为了随时可拆开,GPS天线采用胶合紧紧粘合在一起



瞄一眼那天线电路板,上面显示它是SIgem制造的,该公司与泰科公司在2000年早期曾联手研发过GPS元器件



现在,让我们再回到接收器/发射器模块

外部的一些螺丝仍然将我们和它的内部相隔开



从后盖可以看到它非常容易与电源模块相连接起来

为了能直接进入模块的“大脑”里面去,现在我们将集中精力在其后盖.FBI确实不想别人随意摆弄他们追踪设备的内部设置,以至于我们不得不将电钻请出来弄开螺丝.被电钻弄得一地鸡毛。

取下螺丝后,马上就可以看都裸露出来的收发器电路板





可以看到,两块电路板是可以分开的,据猜测,应该考虑到检测电路的便利性而设计的。

中间那条蓝色的电线连接着GPS电线和GPS接收器电路板一端。

当我们拆开GPS电路板模块后,可以更清楚的看到内部元器件构成的细节



该模块有一个GPS信号处理器件—— μ-blox GPS-MS1,它可以算得上是现代电子鼻祖级的了



在该模块的背面有一个备用电池用来驱动实时时钟和维持GPS接收器的SRAM正常工作,以便于非常快速的连接到卫星进行通信,该动作被称为“热启动”。



较大的模块内置了跟踪器的天线和RF

美国阿波罗11号航天飞船上的电路板细节曝光,工艺精湛

美国的阿波罗号航天飞船大家应该都知道。

但是对于阿波罗11号很多人就比较陌生了。

阿波罗11号是美国第五次载人任务的航天飞船,也是人类第一次的登月任务!

它在1969年登陆月球!

所以说阿波罗11号的意义非凡。

人类登月在月球留下的第一个脚印

美国阿波罗登月计划

电路系统

阿波罗的核心在于它的电子架构。

今天有幸看到阿波罗11号电子架构的一部分,在这里把其中的一块电路板分享给大家。

就是下面这块电路板,看看这块板子做的多么的规整!

美国阿波罗11号上的电路板曝光,工艺精湛

然后我们来看看电路板上的细节!

LVDC一致的连接器

这个塑料绝缘体携带一串针脚,将两块电路板连接在一起。

顶层上的直角走线还清晰可见。

为什么有的引脚下方有通孔,而有的没有通孔呢?老师傅说说看。

这个白色的器件应该是一个排阻。

下面的德州仪器的SN 2472是一个TTL型号的芯片,和我们消费级别的好像有些区别,这些芯片都是专门为航天事业专门开发的芯片。

2472TTL逻辑芯片的内部原理构成。

这个电路板有两面

A面

B面

是不是A、B两面各自独立运行呢?如果一面出故障,另一面还可以正常运行?

这种航天级别全镀金的电路板最大的优势就是稳定可靠,所以制作出来的电路板给人的感觉很“皮实”,跟消费级别的电路板比起来也更加笨重!

美国武装部队军事武器ID-2124榴弹炮数据显示器拆解

这个ID-2124榴弹炮偏转 – 高程数据显示装置不仅相对现代(这个特殊标本似乎已于1989年6月停止服役),但与我们过去看过的其他军事装置不同,实际上是关于它的一些信息可供我们低级平民使用。今天拆解的这个ID-2124榴弹炮数据显示器是美国武装部队的产品,我们拿到的这个真品将与美国武装部队提供的大量文件进行比较。

例如,我们可以直接从现场手册6-50 “战术,技术和现场武器电池的程序”中直接阅读说明,而不是疯狂地推测所述设备的目的:

“枪组件可以即时识别枪手所需的偏转或助攻炮手的高度。显示窗口显示象限高程或偏转信息。只有在收到GUNNER’S QUADRANT的特殊指令时,才会在QE显示屏上显示十位数字。”

从这个描述我们可以推测,ID-2124用于显示在瞄准和发射武器期间使用的关键数据。此外,设备的小尺寸和绑定柱的使用似乎表明它将被远程或临时使用。也许这样船员可以在他们自己和他们控制的炮兵之间留出一些距离。

现在我们已经了解了ID-2124榴弹炮数据显示器是什么以及它将如何使用,让我们仔细看看橄榄褐色铝制外壳内部的情况。

一个真正的军工品质,相比之下如今的消费类电子产品太烂了

ID-2124榴弹炮数据显示器作为一个军用硬件,是为满足最严格的质量和可靠性标准而制造的。重量级外壳和航空航天额定组件是给定的,但即使如此,ID-2124还处于另一个层面。外壳专为外部使用而设计,可能是一个荒凉的环境,所以这个外壳很容易成为我拆卸过的任何设备中最难啃的,比起我们身边的消费电子类产品,完全不是一个层级的。

如此强大,事实却是非常难以拆卸,它实际上花了我相当长的时间来打开它。拆下周边的六个螺丝后,我发现前面板仍旧保持牢固。事实证明,它也是用胶合垫圈固定的。这使得该设备放尘防水,对外壳内部的元件做到不可渗透,同时尴尬的是它也非常出色地阻止了我拆解。由于无法利用嵌入式面板撬开,我甚至一度不知道该如何进行下去。我不想使用热风枪或做任何可能损坏表面的东西,所以这个设备实际上放在架子上一段时间了,直到我想出一个解决方案。

最后,我敲击了前面板上的孔,以便它可以抓住比原来略大的螺丝。螺纹插入8毫米厚的面板,这些螺丝给了我一些杠杆作用。凭借相当大的力气,我最终打开了这个外壳。虽然我不喜欢对军事硬件进行任何永久性的改动,但是由于原来的螺钉已经归位,你无法分辨出孔是否已经扩大。

揭示军工武器的内在美

当我最终破坏了ID-2124外壳上的封条并抬起外壳时,我还是不得不惊叹它的牢固程度。直入眼前的是ID-2124榴弹炮数据显示器电路板的绝对华丽的PCB,在保持涂层和它在最后30多年的密封盒中,它处于原始状态。这就像打开电子时间胶囊一样。虽然从何时起可能存在争议; 虽然各种组件的日期代码指向它在1987年左右制造,但整体设计看起来更接近于20世纪70年代后期的某些东西。

我有点惊讶地发现单个PCB就在ID-2124内部,大多数外壳都是空的。该设备的早期版本可能需要更多的电子设备才能运行,而后来的版本设法将所有设备都集成到一块板上。虽然我找不到任何明显的证据,例如机箱中未使用的安装孔。

拆下PCB后,我们可以看到它下面唯一的部件是控制器和接线片,它们通过柔性扁平电缆连接,端子上有一个结实的厚插头。还有一个手写符号,其中列出了制造商联邦供应代码(FSCM),案例本身的部件号以及当前的设计修订版。

另一个时代的电子产品

ID-2124的PCB毫无疑问是华丽的,但用现代的眼睛眼睛去看的话会有些陌生。它不仅仅是几乎半透明的基板,或者是对可怕的方形轨迹的无懈可击的使用,甚至一些组件也很奇怪。我们可以很好地识别电阻器和晶体,它们看起来就像我们习惯的更大版本,但这里也发现了一些真正的怪异的地方。

毫无疑问,其中最主要的是中间标记为B4010089的巨型设备。它显然是某种类型的微控制器(使用现代的说法),但我一直无法找到它的任何信息。在我发现的图表中,该设备简称为“LOGIC AND DISPLAY”,这似乎表明显示器驱动器也存在于密封金属封装内。另请注意,它和两侧的两个电阻器已连接到金属条上,看起来似乎是一种导热材料。假设该组件在运行期间会变得相当暖手,但仍可能是安全的。

显示器本身是另一个时代的产物,但至少这次我们可以得到更多的信息。技术手册将其称为“OPTO DISPLAY#B4010133”,并在网上搜索一下Plessey作为制造商。鉴于显示器的某种不寻常的性质,似乎16针设备是为这个应用定制的,或者至少,类似的军事硬件。

将电路板翻转过来,有趣的是要注意显示驱动显示器的引脚数量似乎很少。使用逻辑分析仪测试它与控制器芯片之间传递的数据可以产生一些有用的信息,但是板上的上述保形涂层确实使这种事情变得困难。事实上,我甚至无法通过涂层获得万用表探针,以尝试跟踪迹线的连续性。

只需阅读说明

如前所述,实际上有大量关于ID-2124的信息可以在网上浮动的非机密文档中找到。现场手册6-50简要介绍了如何设置使用的火炮,甚至还提供了这些设备中的两个如何连接到武器的主要“枪支显示单元”或GDU的草图。

很高兴有一些关于如何使用ID-2124的上下文,但不幸的是它并没有真正深入研究该单元实际期望接收的数据类型。虽然不可否认,鉴于该文件的目标读者,如果它实际上具有该级别的技术细节,那将是非常令人惊讶的。

为了我们的目的,更多有趣的信息可以在技术手册11-7440-283-40P,“ 计算机系统的 G一般支持维护修理部件和特殊工具列表,枪支方向AN / GYK-29(V)”中找到。在本文档中,我们将详细介绍ID-2124,包括PCB及其组件的详细图表。

遗憾的是,即使是本文档也没有提供任何电路原理图,仍然没有协议信息。显然,ID-2124是一个数字设备,它通过三根线连接到GDU,这有助于缩小通信方法的范围。但是如果没有一个榴弹炮GDU来探测数据,就无法知道它实际上在等待什么样的信号。

令人惊讶的简单

虽然ID-2124榴弹炮偏转 – 高程数据显示器确实很难理解,但我承认对内部构件的真实性感到惊讶。特别是与AH-64A Apache数据输入键盘之类的怪异复杂性相比,它将Intel 8085计算机和稳压电源装入一个不比这大得多的盒子。这里只有一个显示器,一个控制模块和一些无源组件。

另一方面,这可能实际上预示着该设备的潜在重用。一般来说,我们看过的军事硬件除了是一个有趣的对话之外没有任何实际应用。但在这种情况下,将ID-2124重新用作通用数字显示器只需要弄清楚如何与它通信。答案可能在一些神秘的军事技术手册中找到,或者甚至可能被这里任何一位杰出的工程师研究发现。

理解STM32控制中常见的PID算法

PID的数学模型

在工业应用中PID及其衍生算法是应用最广泛的算法之一,是当之无愧的万能算法,如果能够熟练掌握PID算法的设计与实现过程,对于一般的研发人员来讲,应该是足够应对一般研发问题了,而难能可贵的是,在很多控制算法当中,PID控制算法又是最简单,最能体现反馈思想的控制算法,可谓经典中的经典。经典的未必是复杂的,经典的东西常常是简单的,而且是最简单的。

PID算法的一般形式

PID算法通过误差信号控制被控量,而控制器本身就是比例、积分、微分三个环节的加和。这里我们规定(在t时刻):

1.输入量为 

2.输出量为 

3.偏差量为 

PID算法的数字离散化

假设采样间隔为T,则在第K个T时刻:

偏差= 

积分环节用加和的形式表示,即: 

微分环节用斜率的形式表示,即: 

PID算法离散化后的式子: 

则可表示成为:

其中式中:

比例参数  :控制器的输出与输入偏差值成比例关系。系统一旦出现偏差,比例调节立即产生调节作用以减少偏差。

特点:过程简单快速、比例作用大,可以加快调节,减小误差;但是使系统稳定性下降,造成不稳定,有余差。

积分参数  :积分环节主要是用来消除静差,所谓静差,就是系统稳定后输出值和设定值之间的差值,积分环节实际上就是偏差累计的过程,把累计的误差加到原有系统上以抵消系统造成的静差。

微分参数  :微分信号则反应了偏差信号的变化规律,或者说是变化趋势,根据偏差信号的变化趋势来进行超前调节,从而增加了系统的快速性。

PID的基本离散表示形式如上。目前的这种表述形式属于位置型PID,另外一种表述方式为增量式PID,由上述表达式可以轻易得到: 

那么: 

上式就是离散化PID的增量式表示方式,由公式可以看出,增量式的表达结果和最近三次的偏差有关,这样就大大提高了系统的稳定性。需要注意的是最终的输出结果应该为:输出量 =  + 增量调节值。

目的

PID 的重要性应该无需多说了,这个控制领域的应用最广泛的算法了。本篇文章的目的是希望通过一个例子展示算法过程,并解释以下概念:

(1)简单描述何为PID?为何需要PID?PID 能达到什么作用?

(2)理解P(比例环节)作用:基础比例环节。

缺点:产生稳态误差。

疑问:何为稳态误差 为什么会产生稳态误差。

(3)理解I(积分环节)作用:消除稳态误差。

缺点:增加超调

疑问:积分为何能消除稳态误差?

(4)理解D(微分环节)作用:加大惯性响应速度,减弱超调趋势

疑问:为何能减弱超调?

(5)理解各个比例系数的作

何为PID以及为何需要PID?

以下即PID控制的整体框图,过程描述为:

设定一个输出目标,反馈系统传回输出值,如与目标不一致,则存在一个误差,PID根据此误差调整输入值,直至输出达到设定值

疑问:那么我们为什么需要PID呢,比如我控制温度,我不能监控温度值,温度值一到就停止吗?

这里必须要先说下我们的目标,因为我们所有的控制无非就是想输出能够达到我们的设定,即如果我们设定了一个目标温度值,那么我们想要一个什么样的温度变化呢?

比如设定目标温度为30度,目标无非是希望达到图1希望其能够快速而且没有抖动的达到30度。

那这样大家应该就明白,如果使用温度一到就停止的办法,当然如果要求不高可能也行,但肯定达不到图1这样的要求,因为温度到了后余温也会让温度继续升高。而且温度自身也会通过空气散热的。

系统输出的响应目标

综上所述,我们需要PID的原因无非就是普通控制手段没有办法使输出快速稳定的到达设定值。

控制器的P、I、D项选择

下面将常用的各种控制规律的控制特点简单归纳一下:

(1)比例控制规律P:采用P控制规律能较快地克服扰动的影响,它的作用于输出值较快,但不能很好稳定在一个理想的数值,不良的结果是虽较能有效的克服扰动的影响,但有余差出现。它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、控制要求不高、被控参数允许在一定范围内有余差的场合。如:金彪公用工程部下设的水泵房冷、热水池水位控制;油泵房中间油罐油位控制等。

(2)比例积分控制规律(PI):在工程中比例积分控制规律是应用最广泛的一种控制规律。积分能在比例的基础上消除余差,它适用于控制通道滞后较小、负荷变化不大、被控参数不允许有余差的场合。如:在主线窑头重油换向室中F1401到F1419号枪的重油流量控制系统;油泵房供油管流量控制系统;退火窑各区温度调节系统等。

(3)比例微分控制规律(PD):微分具有超前作用,对于具有容量滞后的控制通道,引入微分参与控制,在微分项设置得当的情况下,对于提高系统的动态性能指标,有着显著效果。因此,对于控制通道的时间常数或容量滞后较大的场合,为了提高系统的稳定性,减小动态偏差等可选用比例微分控制规律。如:加热型温度控制、成分控制。需要说明一点,对于那些纯滞后较大的区域里,微分项是无能为力,而在测量信号有噪声或周期性振动的系统,则也不宜采用微分控制。如:大窑玻璃液位的控制。

(4)例如积分微分控制规律(PID):PID控制规律是一种较理想的控制规律,它在比例的基础上引入积分,可以消除余差,再加入微分作用,又能提高系统的稳定性。它适用于控制通道时间常数或容量滞后较大、控制要求较高的场合。如温度控制、成分控制等。

鉴于D规律的作用,我们还必须了解时间滞后的概念,时间滞后包括容量滞后与纯滞后。其中容量滞后通常又包括:测量滞后和传送滞后。测量滞后是检测元件在检测时需要建立一种平衡,如热电偶、热电阻、压力等响应较慢产生的一种滞后。而传送滞后则是在传感器、变送器、执行机构等设备产生的一种控制滞后。纯滞后是相对与测量滞后的,在工业上,大多的纯滞后是由于物料传输所致,如:大窑玻璃液位,在投料机动作到核子液位仪检测需要很长的一段时间。

总之,控制规律的选用要根据过程特性和工艺要求来选取,决不是说PID控制规律在任何情况下都具有较好的控制性能,不分场合都采用是不明智的。如果这样做,只会给其它工作增加复杂性,并给参数整定带来困难。当采用PID控制器还达不到工艺要求,则需要考虑其它的控制方案。如串级控制、前馈控制、大滞后控制等。

Kp、Ti、Td三个参数的设定是PID控制算法的关键问题,相关视频请移步:演示PID三个参数的控制作用。一般说来编程时只能设定他们的大概数值,并在系统运行时通过反复调试来确定最佳值。因此调试阶段程序必须得能随时修改和记忆这三个参数。

数字PID控制器

(1)模拟PID控制规律的离散化  

(2)数字PID控制器的差分方程

参数的自整定

在某些应用场合,比如通用仪表行业,系统的工作对象是不确定的,不同的对象就得采用不同的参数值,没法为用户设定参数,就引入参数自整定的概念。实质就是在首次使用时,通过N次测量为新的工作对象寻找一套参数,并记忆下来作为以后工作的依据。具体的整定方法有三种:临界比例度法、衰减曲线法、经验法。

1、临界比例度法(Ziegler-Nichols)

1.1 在纯比例作用下,逐渐增加增益至产生等副震荡,根据临界增益和临界周期参数得出PID控制器参数,步骤如下:

(1)将纯比例控制器接入到闭环控制系统中(设置控制器参数积分时间常数Ti =∞,实际微分时间常数Td =0)。

(2)控制器比例增益K设置为最小,加入阶跃扰动(一般是改变控制器的给定值),观察被调量的阶跃响应曲线。

(3)由小到大改变比例增益K,直到闭环系统出现振荡。

(4)系统出现持续等幅振荡时,此时的增益为临界增益(Ku),振荡周期(波峰间的时间)为临界周期(Tu)。

(5) 由表1得出PID控制器参数。

表1

1.2  采用临界比例度法整定时应注意以下几点:

(1)在采用这种方法获取等幅振荡曲线时,应使控制系统工作在线性区,不要使控制阀出现开、关的极端状态,否则得到的持续振荡曲线可能是“极限循环”,从线性系统概念上说系统早已处于发散振荡了。

(2)由于被控对象特性的不同,按上表求得的控制器参数不一定都能获得满意的结果。对于无自平衡特性的对象,用临界比例度法求得的控制器参数往往使系统响应的衰减率偏大(ψ>0.75 )。而对于有自平衡特性的高阶等容对象,用此法整定控制器参数时系统响应衰减率大多偏小(ψ<0.75 )。为此,上述求得的控制器参数,应针对具体系统在实际运行过程中进行在线校正。

(3) 临界比例度法适用于临界振幅不大、振荡周期较长的过程控制系统,但有些系统从安全性考虑不允许进行稳定边界试验,如锅炉汽包水位控制系统。还有某些时间常数较大的单容对象,用纯比例控制时系统始终是稳定的,对于这些系统也是无法用临界比例度法来进行参数整定的。

(4)只适用于二阶以上的高阶对象,或一阶加纯滞后的对象,否则,在纯比例控制情况下,系统不会出现等幅振荡。

1.3  若求出被控对象的静态放大倍数KP=△y/△u ,则增益乘积KpKu可视为系统的最大开环增益。通常认为Ziegler-Nichols闭环试验整定法的适用范围为: 

(1) 当KpKu > 20时,应采用更为复杂的控制算法,以求较好的调节效果。
(2)当KpKu < 2时,应使用一些能补偿传输迟延的控制策略。
(3)当1.5 <KpKu< 2时,在对控制精度要求不高的场合仍可使用PID控制器,但需要对表1进行修正。在这种情况下,建议采用SMITH预估控制和IMC控制策略。
(4)当KpKu< 1.5时,在对控制精度要求不高的场合仍可使用PI控制器,在这种情况下,微分作用已意义不大。

2、衰减曲线法

衰减曲线法与临界比例度法不同的是,闭环设定值扰动试验采用衰减振荡(通常为4:1或10:l),然后利用衰减振荡的试验数据,根据经验公式求取控制器的整定参数。整定步骤如下:

(1)在纯比例控制器下,置比例增益K为较小值,并将系统投入运行。

(2)系统稳定后,作设定值阶跃扰动,观察系统的响应,若系统响应衰减太快,则减小比例增益K;反之,应增大比例增益K。直到系统出现如下图(a)所示的4:1衰减振荡过程,记下此时的比例增益Ks及和振荡周期Ts数值。

(3)利用Ks和Ts值,按下表给出的经验公式,计算出控制器的参数整定值。     

(4)10:1衰减曲线法类似,只是用Tr带入计算。

采用衰减曲线法必须注意几点:

(1)加给定干扰不能太大,要根据生产操作要求来定,一般在5%左右,也有例外的情况。
(2)必须在工艺参数稳定的情况下才能加给定干扰,否则得不到正确的整定参数。
(3)对于反应快的系统,如流量、管道压力和小容量的液位调节等,要得到严格的4:1衰减曲线较困难,一般以被调参数来回波动两次达到稳定,就近似地认为达到4:1衰减过程了。
(4)投运时,先将K放在较小的数值,把Ti减少到整定值,把Td逐步放大到整定值,然后把K拉到整定值(如果在K=整定值的条件下很快地把Td放到整定值,控制器的输出会剧烈变化)。

3、经验整定法

3.1方法一A:

(1)确定比例增益

使PID为纯比例调节,输入设定为系统允许最大值的60%~70%,由0逐渐加大比例增益至系统出现振荡;再反过来,从此时的比例增益逐渐减小至系统振荡消失,记录此时的比例增益,设定PID的比例增益P为当前值的60%~70%。

(2)确定积分时间常数

比例增益P确定后,设定一个较大的积分时间常数Ti的初值,然后逐渐减小Ti至系统出现振荡,之后在反过来,逐渐加大Ti至系统振荡消失。记录此时的Ti,设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%~180%。

(3)确定积分时间常数Td

积分时间常数Td一般不用设定,为0即可。若要设定,与确定 P和Ti的方法相同,取不振荡时的30%。

(4)系统带载联调,再对PID参数进行微调,直至满足要求。

3.2 方法一B:

(1)PI调节

(a)纯比例作用下,把比例度从较大数值逐渐往下降,至开始产生周期振荡(测量值以给定值为中心作有规则的振荡),在产生周期性振荡的情况下,把此比例度逐渐加宽直至系统充分稳定。

(b)接下来把积分时间逐渐缩短至产生振荡,此时表示积分时间过短,应把积分时间稍加延长,直至振荡停止。

(2)PID调节

(a)纯比例作用下寻求起振点。

(b)加大微分时间使振荡停止,接着把比例度调得稍小一些,使振荡又产生,加大微分时间,使振荡再停止,来回这样操作,直至虽加大微分时间,但不能使振荡停止,求得微分时间的最佳值,此时把比例度调得稍大一些直至振荡停止。

(c)把积分时间调成和微分时间相同的数值,如果又产生振荡则加大积分时间直至振荡停止。

3.3 方法二:

另一种方法是先从表列范围内取Ti的某个数值,如果需要微分,则取Td=(1/3~1/4)Ti,然后对δ进行试凑,也能较快地达到要求。实践证明,在一定范围内适当地组合δ和Ti的数值,可以得到同样衰减比的曲线,就是说,δ的减少,可以用增加Ti的办法来补偿,而基本上不影响调节过程的质量。所以,这种情况,先确定Ti、Td再确定δ的顺序也是可以的。而且可能更快些。如果曲线仍然不理想,可用Ti、Td再加以适当调整。

3.4 方法三:

(1)在实际调试中,也可以先大致设定一个经验值,然后根据调节效果修改。

流量系统:P(%)40–100,I(分)0.1–1
压力系统:P(%)30–70,   I(分)0.4–3
液位系统:P(%)20–80,   I(分)1—5
温度系统:P(%)20–60,   I(分)3–10,D(分)0.5–3

(2)以下整定的口诀:

阶跃扰动投闭环,参数整定看曲线;先投比例后积分,最后再把微分加;

理想曲线两个波,振幅衰减4比1;比例太强要振荡,积分太强过程长;

动差太大加微分,频率太快微分降;偏离定值回复慢,积分作用再加强。

4、复杂调节系统的参数整定

以串级调节系统为例来说明复杂调节系统的参数整定方法。由于串级调节系统中,有主、副两组参数,各通道及回路间存在着相互联系和影响。改变主、副回路的任一参数,对整个系统都有影响。特别是主、副对象时间常数相差不大时,动态联系密切,整定参数的工作尤其困难。

在整定参数前,先要明确串级调节系统的设计目的。如果主要是保证主参数的调节质量,对副参数要求不高,则整定工作就比较容易;如果主、副参数都要求高,整定工作就比较复杂。下面介绍“先副后主”两步参数整定法。

第一步:在工况稳定情况下,将主回路闭合,把主控制器比例度放在100%,积分时间放在最大,微分时间放在零。用4:1衰减曲线整定副回路,求出副回路的比例增益K2s和振荡周期T2s。

第二步:把副回路看成是主回路的一个环节,使用4:1衰减曲线法整定主回路,求得主控制器K1s和T1s。

根据K1s、K2s、T1s、T2s按表2经验公式算出串级调节系统主、副回路参数。先放上副回路参数,再放上主回路参数,如果得到满意的过渡过程,则整定工作完毕。否则可进行适当调整。

如果主、副对象时间常数相差不大,按4:1衰减曲线法整定,可能出现“共振”危险,这时,可适当减小副回路比例度或积分时间,以达到减少副回路振荡周期的目的。同理,加大主回路比例度或积分时间,以期增大主回路振荡周期,使主、副回路振荡周期之比加大,避免“共振”。这样做的结果会降低调节质量。

如果主、副对象特性太相近,则说明确定的方案欠妥当,就不能完全依靠参数整定来提高调节质量了。

实际应用体会:

一是利用数字PID控制算法调节直流电机的速度,方案是采用光电开关来获得电机的转动产生的脉冲信号,单片机(MSP430G2553)通过测量脉冲信号的频率来计算电机的转速(具体测量频率的算法是采用直接测量法,定时1s测量脉冲有多少个,本身的测量误差可以有0.5转加减),测量的转速同给定的转速进行比较产生误差信号,来产生控制信号,控制信号是通过PWM调整占空比也就是调整输出模拟电压来控制的(相当于1位的DA,如果用10位的DA来进行模拟调整呢?效果会不会好很多?),这个实验控制能力有一定的范围,只能在30转/秒和150转/秒之间进行控制,当给定值(程序中给定的速度)高于150时,实际速度只能保持在150转,这也就是此系统的最大控制能力,当给定值低于30转时,直流电机转轴实际是不转动的,但由于误差值过大,转速会迅速变高,然后又会停止转动,就这样循环往复,不能达到控制效果。

根据实测,转速稳态精度在正负3转以内,控制时间为4到5秒。实验只进行到这种程度,思考和分析也只停留在这种深度。

二是利用数字PID控制算法调节直流减速电机的位置,方案是采用与电机同轴转动的精密电位器来测量电机转动的位置和角度,通过测量得到的角度和位置与给定的位置进行比较产生误差信号,然后位置误差信号通过一定关系(此关系纯属根据想象和实验现象来拟定和改善的)转换成PWM信号,作为控制信号的PWM信号是先产生对直流减速电机的模拟电压U,U来控制直流减速电机的力矩(不太清楚),力矩产生加速度,加速度产生速度,速度改变位置,输出量是位置信号,所以之间应该对直流减速电机进行系统建模分析,仿真出直流减速电机的近似系统传递函数,然后根据此函数便可以对PID的参数进行整定了。

两次体会都不是特别清楚PID参数是如何整定的,没有特别清晰的理论指导和实验步骤,对结果的整理和分析也不够及时,导致实验深度和程度都不能达到理想效果。

怎样形象理解PID算法?

小明接到这样一个任务:

有一个水缸点漏水(而且漏水的速度还不一定固定不变)要求水面高度维持在某个位置一旦发现水面高度低于要求位置,就要往水缸里加水。

小明接到任务后就一直守在水缸旁边,时间长就觉得无聊,就跑到房里看小说了,每30分钟来检查一次水面高度。水漏得太快,每次小明来检查时,水都快漏完了,离要求的高度相差很远,小明改为每3分钟来检查一次,结果每次来水都没怎么漏,不需要加水,来得太频繁做的是无用功。

几次试验后,确定每10分钟来检查一次。这个检查时间就称为采样周期。

开始小明用瓢加水,水龙头离水缸有十几米的距离,经常要跑好几趟才加够水,于是小明又改为用桶加,一加就是一桶,跑的次数少了,加水的速度也快了,

但好几次将缸给加溢出了,不小心弄湿了几次鞋,小明又动脑筋,我不用瓢也不用桶,老子用盆,几次下来,发现刚刚好,不用跑太多次,也不会让水溢出。这个加水工具的大小就称为比例系数。

小明又发现水虽然不会加过量溢出了,有时会高过要求位置比较多,还是有打湿鞋的危险。他又想了个办法,在水缸上装一个漏斗,

每次加水不直接倒进水缸,而是倒进漏斗让它慢慢加。这样溢出的问题解决了,但加水的速度又慢了,有时还赶不上漏水的速度。

于是他试着变换不同大小口径的漏斗来控制加水的速度,最后终于找到了满意的漏斗。漏斗的时间就称为积分时间 。

小明终于喘了一口,但任务的要求突然严了,水位控制的及时性要求大大提高,一旦水位过低,必须立即将水加到要求位置,而且不能高出太多,否则不给工钱。

小明又为难了!于是他又开动脑筋,终于让他想到一个办法,常放一盆备用水在旁边,一发现水位低了,不经过漏斗就是一盆水下去,这样及时性是保证了,但水位有时会高多了。

他又在要求水面位置上面一点将水凿一孔,再接一根管子到下面的备用桶里这样多出的水会从上面的孔里漏出来。这个水漏出的快慢就称为微分时间。

拿一个水池水位来说,我们 可以制定一个规则:

把水位分为超高、高、较高、中、较低、低、超低几个区段;
再把水位波动的趋势分为甚快、快、较快、慢、停几个区段,并区分趋势的正负;
把输出分为超大幅 度、大幅度、较大幅度、微小几个区段。
当水位处于中值、趋势处于停顿的时候,不调节;
当水位处于中值、趋势缓慢变化的时候,也可以暂不调节;
当水位处于较高、趋势缓慢变化 的时候,输出一个微小调节量就够了;
当水位处于中值、趋势较快变化的时候,输出进行较大幅度调节……

如上所述,我们需要制定一个控制规则表,然后制定参数判断水位区段的界值、波动趋 势的界值、输出幅度的界值。

比例控制(P)是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。

根据设备有所不同,比例带一般为2~10%(温度控制)。

但是,仅仅是P控制的话,会产生下面将提到的offset (稳态误差),所以一般加上积分控制(I),以消除稳态误差。

比例带与比例控制(P)输出的关系如图所示。用MVp运算式的设定举例

稳态误差(Off set)

比例控制中,经过一定时间后误差稳定在一定值时,此时的误差叫做稳态误差(off set)。

仅用比例控制的时候,根据负载的变动及设备的固有特性不同,会出现不同的稳态误差。

负载特性与控制特性曲线的交点和设定值不一致是产生稳态误差的原因。
比例带小时不会产生。为消除稳态误差,我们设定手动复位值–manual reset值(MR),以消除控制误差。

手动复位(Manual reset)

如前所述,仅用比例控制不能消除稳态误差。

为此,将MR(manual reset值)设为可变,则可自由整定(即调整)调节器的输出。只要手动操作输出相当于offset的量,就能与目标值一致。

这就叫做手动复位(manual reset),通常比例调节器上配有此功能。

在实际的自动控制中,每次发生off set时以手动进行reset的话,这样并不实用。在后面将叙述的积分控制功能,能自动消除稳态误差。

为此,将MR(manual reset值)设为可变,则可自由整定(即调整)调节器的输出。只要手动操作输出相当于offset的量,就能与目标值一致。

这就叫做手动复位(manual reset),通常比例调节器上配有此功能。

在实际的自动控制中,每次发生off set时以手动进行reset的话,这样并不实用。在后面将叙述的积分控制功能,能自动消除稳态误差。

所谓积分控制(I),就是在出现稳态误差时自动的改变输出量,使其与手动复位动作的输出量相同,达到消除稳态误差的目的。

当系统存在误差时,进行积分控制,根据积分时间的大小调节器的输出会以一定的速度变化,只要误差还存在,就会不断的进行输出。

积分时间的定义:

当积分项和比例项对于控制器的输出的贡献相同,即积分作用重复了一次比例作用时所花费的时间,就是积分时间。

微分控制(D)的功能是通过误差的变化率预报误差信号的未来变化趋势。

通过提供超前控制作用,微分控制能使被控过程趋于稳定。

因此,它经常用来抵消积分控制产生的不稳定趋势。

通过提供超前控制作用,微分控制能使被控过程趋于稳定。

因此,它经常用来抵消积分控制产生的不稳定趋势。

微分时间的定义:

当输入量持续的以一定速率变化时,微分项和比例项对于控制器的输出的贡献相同,即微分作用重复了一次比例作用时所花费的时间,就是微分时间。

实际中如何使用?

我们看一个生活例子,冬天洗热水澡,需要先放掉一段时间的冷水,因为水管里有一段冷水,热水器也需要一个加热过程,等过了这段时间之后水温有些接近目标值后,开始调节水龙头来调节冷、热水之间的比例及出水量,之后再慢慢的微调,在洗浴过程中感觉温度不合适,再一点点的调节。这个过程,其实就是PID算法过程。我们之所以微调,是因为水温的变化速度与我调节的速度不相匹配,存在一个滞后效应,我们需要调节一点点,等一下再感觉一下温度,不够再调节一点点,再感觉,这个过程就叫PID算法,也可以说,滞后效应是引入PID的原因。

失去的能否找回来?能!只是我找回了纽扣,却发现衣服已经不再了。这个就是滞后效应。

负反馈系统,都有滞后效应,但为什么运放、电源这类的却从来不提PID算法呢?这是因为这类系统的滞后延时时间非常短,若考虑这个延时,负反馈引入180度相位,延时恰好引入180度相位,则完全可能引起振荡。问题在于这个延时时间足够短,它的谐振频率点比较高,以运放为例,加入延时加上负反馈引起的谐振点为10MHz,但这片运放的频率响应是1MHz,则在10MHz下完全不可能导致振荡,因为这个芯片的频响特性只有1MHz。我们常用的线性电源IC,比如SOT23封装的LDO,假如输出不加电容,就会输出一个振荡的波形,相对来说电源IC的滞后效应比运放要大,但是,因为电源一般后面都要接大电容的,它的频响特性很低,接近直流0Hz,所以当有电容时候,就无法振荡了。

而工业控制领域,比如温度等,都是滞后效应很严重的,往往都是mS,甚至是10mS级别的,若直接用负反馈,因为激励与反馈的不同步,必然导致强烈的振荡,所以为了解决这个问题,我们需要引入PID算法,来实现这类滞后效应严重系统的负反馈控制,我们以高频感应加热设备加热工件,从常温25度加热到700度为例做说明:

1、25~600度,100%的全功率加热工件,这是因为温差太大,前期要全功率,先加热到靠近目标温度。之所以考虑在600度,是因为滞后效应,若设定太高,当发现接近700度再停下来,但实际上,温度会冲过700度。当然,600度是一个经验值,以下几个温度点都是经验值,根据实际情况而来。

2、600以上,开启P算法,P就是根据测量值与目标值的误差来决定负反馈的大小。P算法公式:反馈=P*(当前温度-目标温度)。但因为负反馈是基于存在误差为前提的,所以P算法导致一个问题,永远到不了想要的值:700度。因为到了700度,反馈值就没有了。P算法的开启,进一步逼近了目标温度,假设稳态下可以达到650度,这样就算因为滞后效应导致的延时,也不会超过700度太多。

3、当达到P算法的稳态极限650度附近的时候,比如640度,就应该开启另外一个算法解决P算法引起的极限误差,那就是I算法。I算法就是为了消除这个P算法导致的误差值,毕竟我们想要的是700度,而不是650度。I算法,本质上讲就是获取一个700度下对应的一个驱动值,之后用这个驱动值来取代P算法,那么我们怎么得到这个驱动值呢,唯一的手段就是把之前的误差都累加起来,最后得到一个期望值,这个期望值就是我们想要的驱动值。因为只要与目标值存在误差,那么把这些误差值积累起来再去反馈控制,就能一步步的逼近目标值,这如同水温不够高,再加一点点热水,不够高再加,这样总能达到想要的水温。值得注意的是,I算法不能接入太高,必须要在P算法的后期介入,不然很容易积累过大。这个时候可以引入一个误差门限,比如误差为60,当作6来处理,误差为50,当作5来处理,消除大的误差值,具体根据项目情况决定。

4、当I算法把工件温度加热到很接近目标温度后,那么可以调节的范围就很小了,最后一点点的微动,让调节的每一次的变化,不要太大,这就是D算法。D算法本质上讲就是反对剧烈的变化,所以适用于达到目标温度的时候。

总结:

PID算法其实不复杂,但从目前看,很多人都是因为对这三者的使用条件不了解导致的问题,都是从加热一开始,三个要素都上,结果可想而知。P算法是温度接近目标值的时候用,I算法是在P算法到稳态极限的时候用,D算法是达到目标值附近的时候用。实际项目中,D算法一般不用,效果不大。假如非要找一个现实中对应的实物,那么以开关电源为例,TL431基准电源比较器可以认为是P,输出滤波电容C是I,输出滤波电感是D,两者完全等价。它们各自的应用工作点可以认为:假设目标温度700度,600~800度:P算法;640~760度:I算法;690~710度:D算法。具体值,以实验为准,数据仅供参考。

最后给出一个PID最通俗的解读:我们设计一样东西,一般都是先打个样,这个样跟我们想要的接近,但细节没到位,这就是P,样有差异,所以就要修改,拟合逼近,这就是I,到了定稿,就不允许随便修改了,就算要修改,也是有限制的修改,这就是D。

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