PPLID控制回路及其在FIRA控制中的应用

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。

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。