PPLID控制回路及其在FIRA控制中的应用

PPLID控制回路及其在FIRA控制中的应用

摘要：吸取PID算法的基本思想，利用PLL的高精度和高灵敏度，从时域调参的角度提出了一种新的前端控制回路——PPLID控制回路，并介绍了其在FIRA机器人小车控制系统中的应用。

1 对PID的新需求

PID算法具结构简单、物理意义清晰、便于实现的优点，因而成为当前工程应用中最普遍和最经典的控制算法。但是参数整定一直以来都困扰着工程技术人员。

一方面，由于PID算法常用于前端控制回路，因而在一个较大的系统中往往有几十乃至几百个PID回路，这使得参数调整十分繁琐。若各个回路间存在耦合关系，则工作量更是难以预计。

另一方面，PID算法的应用场合十分广泛，而不同场合的控制参数却又不尽相同，因此针对某个被控对象设计的PID电路很难适应另一个被控对象的要求。这使得PID控制系统长期停留在通用算法的层次，难以提升为价格低廉的通用IC。随着EDA工具的发展，SOC的市场需求日益增长，算法集成化的趋势日益明显，在工业控制领域的表现之一就是对通用PID集成电路的需求越来越强烈。

上述两方面使得PID的广泛应用和参数整定过于繁琐的矛盾日益突出。要解决这个矛盾，实现PID算法集成化，必须找到一个简便灵活的参数整定方法。

同时，随着工业控制对精度和抗干扰的要求越来越高，高频微扰的问题日益突出。经曲PID算法采用积分前置的方法来减小高频微扰的问题。但由于积分效应，必然削弱微分的预测补偿能力，从而影响系统的精度和灵敏度。采用新的方法克服高频微扰，也是一个亟待解决的问题。

2 PLL与PID结合对性能的改善

PLL在频率合成、通信以及标准信号发生器中被广泛应用，具有整套成熟的理论，是相当经典的电路，其高灵敏度和高精度已被理论和实践证明。可将PID和PLL有机地结合起来，利用PLL的优异性能改进传统PID电路。

2.1 PLL与PID结合构成PPLID

PLL本身可以看成一个锁相积分环。其中的鉴相器承担了差值计算和相位跟踪的任务（计算标准信号与反馈信号的相位差）；积分器则不仅完成了积分功能，还肩负着保持当前状态的任务；而压控振荡器（VCO）则负责将被控对象信息反馈回鉴相器[2]。可见，这个环路已经具备了差值计算和积分的功能，只要再配以比例和微分调节，就构成一个新疑的控制回路。由于其中含有锁相积分回路，因此称其为PPLID（Proportional,PhaseLocked-Integral and Differential Controller,即比例、锁相积分、微分控制器），其原理如图1所示。

图2 FIRA小车控制系统的电路图

其中的核心部件是锁相积分环，实际上就是一个PLL，代替PID中的积分器和减法器。若差值大于一定域值，则启动微分和比例调节；若差值小于域值，则只有锁相积分器处于工作状态，由它完成精细调节。基准信号就是控制量，这里它表现为频率波形。

PPLID吸收了经典PID的基于思想，因此可应用于经典PID回路所能涉及的所有领域，其优越性表现在以下四个方面：

①利用鉴相器作差值运算，大大提高了PPLID的灵敏度和精度。

鉴相器可以采取边沿对齐的方式来实现相位跟踪，即标准脉冲信号和反馈脉冲信号都输入鉴相器。只要连沿不对齐，则涣相积分环就会设法调整被控对象，直到二者的边沿完全对齐。因此，锁相环的静态精度和灵敏非常高。

②PPLID中积分器的平均积分时间很短。

鉴相器计算出来的相位差最终是通过积分器转变为电压直接输出到被控对象上的。也就是说，积分器能够根据相位差决定在当前累积电压的基础上将电压调高或调低多少。由于鉴相器的高灵敏度使得相位稍有偏离便开始调整，因此积分器每次将电压调高或调低得很小，从而在很短的时间内就能完成调整工作。即锁相积分器的平均积分时间是很短的。

③PPLID利用微分和比例调节可以实现全功率提前补偿。

控制系统多处于微扰环境中，但有时会出现冲击干扰，差值会瞬间变得很大，仅依靠锁相积分环就不能足够快地收敛到目标值。这时可以启用微分和比例调节，对被控对象进行全功率提前补偿。这里的全功率指的是采用最高电压或最大电流对被控对象进行补偿，因此这种提前补偿的持续时间不会很长，只要偏差小于某个阈值，便立即停止，从而将精细调整的工作交给锁相积分环来完成。

④PPLID可用于高精度控制。

由于嵌入了PLL，因此PPLID继承了PLL回路的高精度特性，完全能够任要求高精度控制的任务，成本也十分低廉。

2.2 PPLID对传统PID回路性能的改善

2.2.1 对高频微扰适应能力的改善

如前所述，PPLID具有灵敏度高和平均积分时间短的特点，稍有偏差便进行小幅调整，因此对高频微扰具有天然的自适应能力。

同时，由于微分器只在冲击干扰时才会启用，在高频微扰情况下是停止工作的，因此不存在高频微扰对微分器产生影响的问题。

2.2.2 对PID参数整定的简化

PPLID对PID参数整定的第一个简化是免去了微分和比例调节系数的调整。

在PPLID中，只有当差值大于阈值时才会启动微分和比例调节，进行全功率提前补偿。当差值小于某相值时，则立即停止微分比例调节，从而将精细调节的任务交由PLL承担。可见，PLLID中的比例和微分调节并不负责精细调节，只负责将大幅度的偏差缩小到一定范围内，因此其系数对精度是无关紧要的。这样就免去了微分和比例系数的调整。

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