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中的應用。

    關鍵詞：鎖相積分環 PID PLL PPLID 全功率提前補償

1 對PID的新需求

PID算法具結構簡單、物理意義清晰、便于實現的優點，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中往往有幾十乃至幾百個PID回路，這使得參數調整十分繁瑣。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，在工業控制領域的表現之一就是對通用PID集成電路的需求越來越強烈。

上述兩方面使得PID的廣泛應用和參數整定過于繁瑣的矛盾日益突出。要解決這個矛盾，實現PID算法集成化，必須找到一個簡便靈活的參數整定方法。

同時，隨著工業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的優異性能改進傳統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。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，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小車控制系統的電路圖

其中的核心部件是鎖相積分環，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；若差值小于域值，則只有鎖相積分器處于工作狀態，由它完成精細調節。基準信號就

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