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PPLID控制回路及其在FIRA控制中的應(yīng)用

時間:2023-03-21 09:43:31 理工畢業(yè)論文 我要投稿
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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機器人小車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 對PID的新需求

PID算法具結(jié)構(gòu)簡單、物理意義清晰、便于實現(xiàn)的優(yōu)點,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(diào)整十分繁瑣。若各個回路間存在耦合關(guān)系,則工作量更是難以預(yù)計。

另一方面,PID算法的應(yīng)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(shè)計的PID電路很難適應(yīng)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(lǐng)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(yīng)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(jīng)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(yīng),必然削弱微分的預(yù)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(jié)合對性能的改善

PLL在頻率合成、通信以及標(biāo)準(zhǔn)信號發(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踐證明?蓪ID和PLL有機地結(jié)合起來,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本身可以看成一個鎖相積分環(huán)。其中的鑒相器承擔(dān)了差值計算和相位跟蹤的任務(wù)(計算標(biāo)準(zhǔn)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(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)將被控對象信息反饋回鑒相器[2]?梢姡@個環(huán)路已經(jīng)具備了差值計算和積分的功能,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(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(biāo)準(zhǔn)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(shè)法調(diào)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(zhuǎn)變?yōu)殡妷褐苯虞敵龅奖豢貙ο笊系。也就是說,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,從而在很短的時間內(nèi)就能完成調(diào)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(diào)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(biāo)值。這時可以啟用微分和比例調(diào)節(jié),對被控對象進(jìn)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(jìn)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對傳統(tǒng)PID回路性能的改善

2.2.1 對高頻微擾適應(yīng)能力的改善

如前所述,PPLID具有靈敏度高和平均積分時間短的特點,稍有偏差便進(jìn)行小幅調(diào)整,因此對高頻微擾具有天然的自適應(yīng)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(chǎn)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(diào)節(jié)系數(shù)的調(diào)整。

在PPLID中,只有當(dāng)差值大于值時才會啟動微分和比例調(diào)節(jié),進(jìn)行全功率提前補償。當(dāng)差值小于某相值時,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)?梢,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)對精度是無關(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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