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PPLID控制回路及其在FIRA控制中的應用
摘要：吸取PID算法的基本思想，利用PLL的高精度和高靈敏度，從時域調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機器人小車控制系統(tǒng)中的應用。1 對PID的新需求
PID算法具結構簡單、物理意義清晰、便于實現(xiàn)的優(yōu)點，因而成為當前工程應用中最普遍和最經典的控制算法。但是參數(shù)整定一直以來都困擾著工程技術人員。
一方面，由于PID算法常用于前端控制回路，因而在一個較大的系統(tǒng)中往往有幾十乃至幾百個PID回路，這使得參數(shù)調整十分繁瑣。若各個回路間存在耦合關系，則工作量更是難以預計。
另一方面，PID算法的應用場合十分廣泛，而不同場合的控制參數(shù)卻又不盡相同，因此針對某個被控對象設計的PID電路很難適應另一個被控對象的要求。這使得PID控制系統(tǒng)長期停留在通用算法的層次，難以提升為價格低廉的通用IC。隨著EDA工具的發(fā)展，SOC的市場需求日益增長，算法集成化的趨勢日益明顯，在工業(yè)控制領域的表現(xiàn)之一就是對通用PID集成電路的需求越來越強烈。
上述兩方面使得PID的廣泛應用和參數(shù)整定過于繁瑣的矛盾日益突出。要解決這個矛盾，實現(xiàn)PID算法集成化，必須找到一個簡便靈活的參數(shù)整定方法。
同時，隨著工業(yè)控制對精度和抗干擾的要求越來越高，高頻微擾的問題日益突出。經曲PID算法采用積分前置的方法來減小高頻微擾的問題。但由于積分效應，必然削弱微分的預測補償能力，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，也是一個亟待解決的問題。
2 PLL與PID結合對性能的改善
PLL在頻率合成、通信以及標準信號發(fā)生器中被廣泛應用，具有整套成熟的理論，是相當經典的電路，其高靈敏度和高精度已被理論和實踐證明。可將PID和PLL有機地結合起來，利用PLL的優(yōu)異性能改進傳統(tǒng)PID電路。
2.1 PLL與PID結合構成PPLID
PLL本身可以看成一個鎖相積分環(huán)。其中的鑒相器承擔了差值計算和相位跟蹤的任務（計算標準信號與反饋信號的相位差）；積分器則不僅完成了積分功能，還肩負著保持當前狀態(tài)的任務；而壓控振蕩器（VCO）則負責將被控對象信息反饋回鑒相器[2]。可見，這個環(huán)路已經具備了差值計算和積分的功能，只要再配以比例和微分調節(jié)，就構成一個新疑的控制回路。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)，實際上就是一個PLL，代替PID中的積分器和減法器。若差值大于一定域值，則啟動微分和比例調節(jié)；若差值小于域值，則只有鎖相積分器處于工作狀態(tài)，由它完成精細調節(jié)。基準信號就是控制量，這里它表現(xiàn)為頻率波形。
PPLID吸收了經典PID的基于思想，因此可應用于經典PID回路所能涉及的所有領域，其優(yōu)越性表現(xiàn)在以下四個方面：
①利用鑒相器作差值運算，大大提高了PPLID的靈敏度和精度。
鑒相器可以采取邊沿對齊的方式來實現(xiàn)相位跟蹤，即標準脈沖信號和反饋脈沖信號都輸入鑒相器。只要連沿不對齊，則渙相積分環(huán)就會設法調整被控對象，直到二者的邊沿完全對齊。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間很短。
鑒相器計算出來的相位差最終是通過積分器轉變?yōu)殡妷褐苯虞敵龅奖豢貙ο笊系摹Ｒ簿褪钦f，積分器能夠根據(jù)相位差決定在當前累積電壓的基礎上將電壓調高或調低多少。由于鑒相器的高靈敏度使得相位稍有偏離便開始調整，因此積分器每次將電壓調高或調低得很小，從而在很短的時間內就能完成調整工作。即鎖相積分器的平均積分時間是很短的。
③PPLID利用微分和比例調節(jié)可以實現(xiàn)全功率提前補償。
控制系統(tǒng)多處于微擾環(huán)境中，但有時會出現(xiàn)沖擊干擾，差值會瞬間變得很大，僅依靠鎖相積分環(huán)就不能足夠快地收斂到目標值。這時可以啟用微分和比例調節(jié)，對被控對象進行全功率提前補償。這里的全功率指的是采用最高電壓或最大電流對被控對象進行補償，因此這種提前補償?shù)某掷m(xù)時間不會很長，只要偏差小于某個閾值，便立即停止，從而將精細調整的工作交給鎖相積分環(huán)來完成。
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，成本也十分低廉。
2.2 PPLID對傳統(tǒng)PID回路性能的改善
2.2.1 對高頻微擾適應能力的改善
如前所述，PPLID具有靈敏度高和平均積分時間短的特點，稍有偏差便進行小幅調整，因此對高頻微擾具有天然的自適應能力。
同時，由于微分器只在沖擊干擾時才會啟用，在高頻微擾情況下是停止工作的，因此不存在高頻微擾對微分器產生影響的問題。
2.2.2 對PID參數(shù)整定的簡化
PPLID對PID參數(shù)整定的第一個簡化是免去了微分和比例調節(jié)系數(shù)的調整。
在PPLID中，只有當差值大于閾值時才會啟動微分和比例調節(jié)，進行全功率提前補償。當差值小于某相值時，則立即停止微分比例調節(jié)，從而將精細調節(jié)的任務交由PLL承擔。可見，PLLID中的比例和微分調節(jié)并不負責精細調節(jié)，只負責將大幅度的偏差縮小到一定范圍內，因此其系數(shù)對精度是無關緊要的。這樣就免去了微分和比例系數(shù)的調整。
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