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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)器人小車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：鎖相積分環(huán) PID PLL PPLID 全功率提前補(bǔ)償
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�？蓪ID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]�？梢姡@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)�；鶞�(zhǔn)信號(hào)就
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