PPLID控制回路及其在FIRA控制中的应用 [日期：2004-12-7] 来源：电子技术应用 作者：胡翌博 徐新民 邓士普 [字体：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。

电容和电阻值），这样就大大简化了参数整定。

参数整定的简化，不仅提高了PID回路的调试效率，而且为设计价格低廉的集成PPLID电路提供了可能。整个电路唯一需要根据工作环境进行调整的就是积分器的延时参数，只要将积分器留给用户调整，就能使得芯片应用于多种场合。

3 PPLID在FIRA中的应用

在FIRA足球机器人小车的前端控制器中应用了PPLID回路，取得了较好的效果。其实现如图2的所示（这里只提供了小车左轮的电路，右轮与此对称）。由于传感器返回的信号是频率信号，可以直接输入到鉴相器的反馈端，因此无需使用压控振荡器。

3.1 AVR单片机

本系统采用ATMEL公司AVR系列单片机中的AT90S8515作为前端控制器，它除了产生标准信号、管理与上位机的无线通信、实现动态控制算法外，还担负PPLID中的阈值比较、启用和关闭微分调节等任务。

3.2 锁相积分回路

锁相积分回中就是一个PLL，其鉴相功能直接由CD4046的比较器II实现，最高工作频率可达1.4MHz。PLL内部集成了两个位相比较器I和II，这里使用的是相位比较器II。这是一个由信号的上升沿控制的数字存储网络，对输入信号占空比的要求不高，允许输入非对称波形，具有很宽的捕捉频率范围，而且不会锁定在输入信号的谐波上。当进入锁定状态时，能保证两个输入信号之间的相移为0（关于CD4046的详细介绍见参考文献[3]）。积分器电路采用如3所示的超前滞后网络。其传递函数为：

G（s）=(1+τ2·s)/(1+τ1·)

其中，τ1=(R1+R2)·C1,τ2=R2·C1

通过选择合适的R1，R2和C1的值，就可以在一定范围内设定时间常数。由于存在电机惯性，因而采用超前滞后滤波器且超前时间常数大于滞后时间常数，系统将获得很好的稳定性。

3.3 支援驱动器

支援驱动器采纳了微分调节的基本思想。微分调节实际上就是根据差值的变化来预计被控对象的变化，在本例中就是根据差值的大小，来预测当前电机转速的偏离是否能够局面速收敛。如果单靠锁相环不能快速收敛，则支援驱动器启动，快速提高或降低电机控制电压，进行全功率提前补偿；当差值小于阈值时，便由锁相积分环来完成精细调节。

3.4 测速

电机转速由光电码盘测出，输出的脉冲信号直接作为CD4046的一个输入信号，与标准信号相比较。同时该信号也要提供给AVR，以便比较差值是否超过阈值。

控制系统的算法可参照图4所示的流程图。

PPLID控制回路中采用的基本信号参