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。
　　关键词：锁相积分环PIDPLLPPLID全功率提前补偿
　　
　　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。
　　
　　2PLL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。
　　
　　2.1PLL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-IntegralandDifferentialController,即比例、锁相积分、微分控制器），其原理如图1所示。
　　
　　图2FIRA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

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