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PPLID控制回路及其在FIRA控制中的應(yīng)用
摘要：吸取PID算法的基本思想，利用PLL的高精度和高靈敏度，從時(shí)域調(diào)參的角度提出了一種新的前端控制回路——PPLID控制回路，并介紹了其在FIRA機(jī)器人小車(chē)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。1 對(duì)PID的新需求
PID算法具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、物理意義清晰、便于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，因而成為當(dāng)前工程應(yīng)用中最普遍和最經(jīng)典的控制算法。但是參數(shù)整定一直以來(lái)都困擾著工程技術(shù)人員。
一方面，由于PID算法常用于前端控制回路，因而在一個(gè)較大的系統(tǒng)中往往有幾十乃至幾百個(gè)PID回路，這使得參數(shù)調(diào)整十分繁瑣。若各個(gè)回路間存在耦合關(guān)系，則工作量更是難以預(yù)計(jì)。
另一方面，PID算法的應(yīng)用場(chǎng)合十分廣泛，而不同場(chǎng)合的控制參數(shù)卻又不盡相同，因此針對(duì)某個(gè)被控對(duì)象設(shè)計(jì)的PID電路很難適應(yīng)另一個(gè)被控對(duì)象的要求。這使得PID控制系統(tǒng)長(zhǎng)期停留在通用算法的層次，難以提升為價(jià)格低廉的通用IC。隨著EDA工具的發(fā)展，SOC的市場(chǎng)需求日益增長(zhǎng)，算法集成化的趨勢(shì)日益明顯，在工業(yè)控制領(lǐng)域的表現(xiàn)之一就是對(duì)通用PID集成電路的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。
上述兩方面使得PID的廣泛應(yīng)用和參數(shù)整定過(guò)于繁瑣的矛盾日益突出。要解決這個(gè)矛盾，實(shí)現(xiàn)PID算法集成化，必須找到一個(gè)簡(jiǎn)便靈活的參數(shù)整定方法。
同時(shí)，隨著工業(yè)控制對(duì)精度和抗干擾的要求越來(lái)越高，高頻微擾的問(wèn)題日益突出。經(jīng)曲PID算法采用積分前置的方法來(lái)減小高頻微擾的問(wèn)題。但由于積分效應(yīng)，必然削弱微分的預(yù)測(cè)補(bǔ)償能力，從而影響系統(tǒng)的精度和靈敏度。采用新的方法克服高頻微擾，也是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。
2 PLL與PID結(jié)合對(duì)性能的改善
PLL在頻率合成、通信以及標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器中被廣泛應(yīng)用，具有整套成熟的理論，是相當(dāng)經(jīng)典的電路，其高靈敏度和高精度已被理論和實(shí)踐證明。可將PID和PLL有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，利用PLL的優(yōu)異性能改進(jìn)傳統(tǒng)PID電路。
2.1 PLL與PID結(jié)合構(gòu)成PPLID
PLL本身可以看成一個(gè)鎖相積分環(huán)。其中的鑒相器承擔(dān)了差值計(jì)算和相位跟蹤的任務(wù)（計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與反饋信號(hào)的相位差）；積分器則不僅完成了積分功能，還肩負(fù)著保持當(dāng)前狀態(tài)的任務(wù)；而壓控振蕩器（VCO）則負(fù)責(zé)將被控對(duì)象信息反饋回鑒相器[2]。可見(jiàn)，這個(gè)環(huán)路已經(jīng)具備了差值計(jì)算和積分的功能，只要再配以比例和微分調(diào)節(jié)，就構(gòu)成一個(gè)新疑的控制回路。由于其中含有鎖相積分回路，因此稱(chēng)其為PPLID（Proportional,PhaseLocked-Integral and Differential Controller,即比例、鎖相積分、微分控制器），其原理如圖1所示。
圖2 FIRA小車(chē)控制系統(tǒng)的電路圖
其中的核心部件是鎖相積分環(huán)，實(shí)際上就是一個(gè)PLL，代替PID中的積分器和減法器。若差值大于一定域值，則啟動(dòng)微分和比例調(diào)節(jié)；若差值小于域值，則只有鎖相積分器處于工作狀態(tài)，由它完成精細(xì)調(diào)節(jié)。基準(zhǔn)信號(hào)就是控制量，這里它表現(xiàn)為頻率波形。
PPLID吸收了經(jīng)典PID的基于思想，因此可應(yīng)用于經(jīng)典PID回路所能涉及的所有領(lǐng)域，其優(yōu)越性表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：
①利用鑒相器作差值運(yùn)算，大大提高了PPLID的靈敏度和精度。
鑒相器可以采取邊沿對(duì)齊的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)相位跟蹤，即標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)和反饋脈沖信號(hào)都輸入鑒相器。只要連沿不對(duì)齊，則渙相積分環(huán)就會(huì)設(shè)法調(diào)整被控對(duì)象，直到二者的邊沿完全對(duì)齊。因此，鎖相環(huán)的靜態(tài)精度和靈敏非常高。
②PPLID中積分器的平均積分時(shí)間很短。
鑒相器計(jì)算出來(lái)的相位差最終是通過(guò)積分器轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷褐苯虞敵龅奖豢貙?duì)象上的。也就是說(shuō)，積分器能夠根據(jù)相位差決定在當(dāng)前累積電壓的基礎(chǔ)上將電壓調(diào)高或調(diào)低多少。由于鑒相器的高靈敏度使得相位稍有偏離便開(kāi)始調(diào)整，因此積分器每次將電壓調(diào)高或調(diào)低得很小，從而在很短的時(shí)間內(nèi)就能完成調(diào)整工作。即鎖相積分器的平均積分時(shí)間是很短的。
③PPLID利用微分和比例調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)全功率提前補(bǔ)償。
控制系統(tǒng)多處于微擾環(huán)境中，但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)沖擊干擾，差值會(huì)瞬間變得很大，僅依靠鎖相積分環(huán)就不能足夠快地收斂到目標(biāo)值。這時(shí)可以啟用微分和比例調(diào)節(jié)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行全功率提前補(bǔ)償。這里的全功率指的是采用最高電壓或最大電流對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行補(bǔ)償，因此這種提前補(bǔ)償?shù)某掷m(xù)時(shí)間不會(huì)很長(zhǎng)，只要偏差小于某個(gè)閾值，便立即停止，從而將精細(xì)調(diào)整的工作交給鎖相積分環(huán)來(lái)完成。
④PPLID可用于高精度控制。
由于嵌入了PLL，因此PPLID繼承了PLL回路的高精度特性，完全能夠任要求高精度控制的任務(wù)，成本也十分低廉。
2.2 PPLID對(duì)傳統(tǒng)PID回路性能的改善
2.2.1 對(duì)高頻微擾適應(yīng)能力的改善
如前所述，PPLID具有靈敏度高和平均積分時(shí)間短的特點(diǎn)，稍有偏差便進(jìn)行小幅調(diào)整，因此對(duì)高頻微擾具有天然的自適應(yīng)能力。
同時(shí)，由于微分器只在沖擊干擾時(shí)才會(huì)啟用，在高頻微擾情況下是停止工作的，因此不存在高頻微擾對(duì)微分器產(chǎn)生影響的問(wèn)題。
2.2.2 對(duì)PID參數(shù)整定的簡(jiǎn)化
PPLID對(duì)PID參數(shù)整定的第一個(gè)簡(jiǎn)化是免去了微分和比例調(diào)節(jié)系數(shù)的調(diào)整。
在PPLID中，只有當(dāng)差值大于閾值時(shí)才會(huì)啟動(dòng)微分和比例調(diào)節(jié)，進(jìn)行全功率提前補(bǔ)償。當(dāng)差值小于某相值時(shí)，則立即停止微分比例調(diào)節(jié)，從而將精細(xì)調(diào)節(jié)的任務(wù)交由PLL承擔(dān)。可見(jiàn)，PLLID中的比例和微分調(diào)節(jié)并不負(fù)責(zé)精細(xì)調(diào)節(jié)，只負(fù)責(zé)將大幅度的偏差縮小到一定范圍內(nèi)，因此其系數(shù)對(duì)精度是無(wú)關(guān)緊要的。這樣就免去了微分和比例系數(shù)的調(diào)整。
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