電磁驅動微鏡的PID控制方法及系統與流程

2023-12-01 10:32:46 2

本發明涉及微機電系統(MEMS)的控制技術領域，特別涉及一種電磁驅動微鏡的PID控制方法及系統。

背景技術：

電磁驅動微鏡是一種尺寸在毫米級、微米級的光學器件，具有小型化、驅動電壓低、響應速度快、偏轉角度大、可批量生產等特點，廣泛應用於光通信、條形碼掃描、高清投影、醫學成像等領域。

電磁驅動微鏡平臺是由NI PXI控制器和LabVIEW軟體及其他硬體設備組成的。該平臺適用於參數測量、系統控制等實驗，可通過圖形化編程實現離散控制算法，並寫入到FPGA中實現系統獨立運行。

PID控制器是基於偏差的「過去、現在和將來」信息的控制器。通過輸出反饋將參考輸入與實際輸出信號相減，得到偏差信號e(t)，再通過比例、積分、微分三個環節運算，得到控制量u(t)。e(t)和u(t)計算公式分別為：

e(t)＝r(t)-y(t) (1)

其中，r(t)為參考輸入信號，y(t)為輸出信號；TI,TD分別為積分、微分時間常數，KP、KI、KD分別為比例、積分、微分環節增益。PID控制器傳遞函數為：

比例控制P是PID控制的基礎，物理意義上是具有可調放大係數的放大器，只要存在偏差，就有控制信號。比例KP越大，調節越快，靜差越小，同時系統穩定裕度下降。積分控制I是對偏差的累計。可消除穩態誤差，只要存在偏差，控制信號就不斷累計變化。直至偏差為零，積分控制信號停止調節，保持常值。積分作用越強，跟蹤靜差越小，有利於改善系統穩態性能。但可能增加超調量，使系統穩定性下降，響應變慢。微分控制D表徵偏差的變化趨勢，具有預見性。偏差變化時，微分環節有控制量，偏差不變化，控制量為零。可以縮短調節時間，減小超調量，改善系統動態性能。但同時對噪聲有放大作用。一般和比例、積分組成PD或PID控制器，不單獨使用。

技術實現要素：

本發明的第一個目的在於克服現有技術的缺點與不足，提供一種電磁驅動微鏡的PID控制方法，解決電磁驅動微鏡開環系統存在的階躍響應調節時間過長、超調量過大、存在「零點漂移」、不能跟蹤輸入等技術問題，使電磁微鏡系統獲得更好的動靜態性能，更符合實際應用的需求。

本發明的另一個目的在於克服現有技術的缺點與不足，提供一種電磁驅動微鏡的PID控制系統。

本發明的第一個目的通過下述技術方案實現：

一種電磁驅動微鏡的PID控制方法，所述PID控制方法包括下列步驟：

S1、微鏡仿真系統PID控制參數調節；

對於電磁驅動微鏡系統模型進行仿真，添加PID控制模塊，所述PID控制模塊由微分、積分、比例環節並聯而成，通過調節三個環節參數，觀察輸出波形，如果輸出波形的性能參數滿足要求，停止參數整定；

S2、微鏡實際系統PID控制的實現；

將連續PID控制量計算公式離散化，連續PID控制量計算公式如下：

其中，e(t)＝r(t)-y(t)為偏差信號，r(t)為參考輸入信號，y(t)為輸出信號；TI、TD分別為積分、微分時間常數，KP、KI、KD分別為連續比例、積分、微分環節增益；

通過比例環節不變，微分環節變為差分，積分環節變為累積求轉化為離散形式

e(n)＝r(n)-y(n)

其中，離散誤差為e(n)，離散參考輸入信號為r(n)，離散輸出信號為y(n)，其中，K』P、K』I、K』D分別為離散比例、累加、差分環節增益；

S3、PID控制器離散化；

根據等效原理，得出離散PID控制器係數與連續PID控制器係數轉換關係；

S4、參數整定和控制效果分析；

建立實物系統PID控制器後，首先按照所述步驟S3所得離散參數設置控制器，然後按照所述步驟S2進行參數調節，直到輸出波形的性能參數滿足要求。

進一步地，所述步驟S1、微鏡仿真系統PID控制參數調節具體包括：

S11、整定比例控制；

調節控制器比例KP逐漸變大，觀察響應曲線變化，直到響應曲線調節時間較短，超調量較小；

S12、整定積分環節；

在比例環節基礎上，加入少量積分作用，即KI設置較小；同時將步驟S11中比例增益調小20～50％，觀察響應曲線變化，適當增大KI，增加積分作用，調節KP，使其能夠跟蹤參考信號，穩態誤差小；

S13、整定微分環節；

在步驟S12基礎上，添加少量微分環節，觀察響應曲線超調是否減少、振蕩削弱；同時適當調節比例、積分環節係數，直至輸出波形的性能參數滿足要求。

進一步地，所述輸出波形的性能參數包括：調節時間、超調量和穩態誤差。

進一步地，所述步驟S1、微鏡仿真系統PID控制參數調節中電磁驅動微鏡系統模型在MATLAB中進行仿真。

進一步地，所述離散PID控制器係數與連續PID控制器係數轉換關係具體如下：

其中，TS為系統採用周期，TI、TD分別為離散積分、微分時間常數，K』P、K』I、K』D分別為離散比例、累加、差分環節增益，KP、KI、KD分別為連續比例、積分、微分環節增益。

本發明的另一個目的通過下述技術方案實現：

一種電磁驅動微鏡的PID控制系統，所述PID控制系統包括：

微鏡仿真系統PID控制參數調節模塊，該模塊用於對電磁驅動微鏡系統模型進行仿真，添加PID控制模塊，所述PID控制模塊由微分、積分、比例環節並聯而成，通過調節三個環節參數，觀察輸出波形，如果輸出波形的性能參數滿足要求，停止參數整定；

微鏡實際系統PID控制實現模塊，該模塊將連續PID控制量計算公式離散化，連續PID控制量計算公式如下：

其中，e(t)＝r(t)-y(t)為偏差信號，r(t)為參考輸入信號，y(t)為輸出信號；TI、TD分別為積分、微分時間常數，KP、KI、KD分別為連續比例、積分、微分環節增益；

通過比例環節不變，微分環節變為差分，積分環節變為累積求轉化為離散形式

e(n)＝r(n)-y(n)

其中，離散誤差為e(n)，離散參考輸入信號為r(n)，離散輸出信號為y(n)，其中，K』P、K』I、K』D分別為離散比例、累加、差分環節增益；

PID控制器離散化模塊，該模塊根據等效原理，得出離散PID控制器係數與連續PID控制器係數轉換關係；

參數整定和控制效果分析，該模塊建立實物系統PID控制器後，首先按照所述PID控制器離散化模塊所得離散參數設置控制器，然後按照所述微鏡實際系統PID控制實現模塊進行參數調節，直到輸出波形的性能參數滿足要求。

進一步地，所述微鏡仿真系統PID控制參數調節模塊包括：

整定比例控制單元，該單元用於調節控制器比例KP逐漸變大，觀察響應曲線變化，直到響應曲線調節時間較短，超調量較小；

整定積分環節單元，該單元用於在比例環節基礎上，加入少量積分作用，即KI設置較小；同時將所述整定比例控制單元中比例增益調小20～50％，觀察響應曲線變化，適當增大KI，增加積分作用，調節KP，使其能夠跟蹤參考信號，穩態誤差小；

整定微分環節單元，該單元用於在所述整定積分環節單元基礎上，添加少量微分環節，觀察響應曲線超調是否減少、振蕩削弱；同時適當調節比例、積分環節係數，直至輸出波形的性能參數滿足要求。

本發明相對於現有技術具有如下的優點及效果：

本發明公開的電磁驅動微鏡的PID控制方法在基於LabVIEW的微鏡平臺上實現，使微鏡系統階躍響應調節時間縮短，超調量顯著降低，消除「零漂」問題，跟蹤穩態誤差明顯減少，大幅提高微鏡系統動態性能和靜態性能。該方法優點是控制器結構簡單，易於物理實現；穩定性好、工作可靠；具有較好的魯棒性，對模型依賴小。

附圖說明

圖1是電磁驅動微鏡的示意圖；

圖2是電磁驅動微鏡系統框圖；

圖3是PID控制閉環系統原理圖；

圖4是PID控制控制LabVIEW程序流程圖；

圖5是本發明中公開的電磁驅動微鏡的PID控制方法的流程圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚、明確，以下參照附圖並舉實施例對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

實施例一

請參見圖5，圖5是本實施例中公開的電磁驅動微鏡的PID控制方法的流程圖。本實施例公開的電磁驅動微鏡的PID控制方法，在基於LabVIEW的微鏡平臺上實現，使微鏡系統階躍響應調節時間縮短，超調量顯著降低，消除「零漂」問題，跟蹤穩態誤差明顯減少，大幅提高微鏡系統動態性能和靜態性能。

下面結合圖1-圖5，具體說明一種電磁驅動微鏡的PID控制方法的詳細過程。如附圖5所示，電磁驅動微鏡的PID控制方法包括下列步驟：

步驟S1、微鏡仿真系統PID控制參數調節；

對於電磁驅動微鏡系統模型在MATLAB中仿真，添加PID控制模塊，該模塊由微分、積分、比例環節並聯而成。通過調節三個環節參數，觀察輸出波形。如果輸出波形的調節時間、超調量、穩態誤差性能滿足要求，停止參數整定。參數整定方法，按照「先比例，再積分，最後微分」的步驟整定參數，具體操作為：

步驟S11、整定比例控制；

調節控制器比例KP逐漸變大，觀察響應曲線變化，直到響應曲線調節時間較短，超調量較小。

步驟S12、整定積分環節；

在比例環節基礎上，加入少量積分作用，即KI設置較小；同時將步驟S11中比例增益調小20～50％。觀察響應曲線變化，適當增大KI，增加積分作用，調節KP，使其能夠跟蹤參考信號，穩態誤差小。

步驟S13、整定微分環節；

在步驟S12基礎上，添加少量微分環節，觀察響應曲線超調是否減少、振蕩削弱；同時適當調節比例、積分環節係數，直至得到滿意的效果為止。

調節依據：比例環節有助於快速響應和靜差減少，會產生振蕩；積分環節有助於跟蹤、降低靜差，會產生明顯振蕩；微分環節能夠削弱超調、振蕩，曲線更平滑。

步驟S2、微鏡實際系統PID控制的實現；

由於實際微鏡平臺的數據採集卡含有ADC、DAC，二者之間的部分是離散的數位訊號，因此需要將PID控制算法離散化。連續PID控制量計算如公式(2)所示，其中離散誤差為e(n)，離散參考輸入信號為r(n)，離散輸出信號為y(n)。將其轉為離散形式時，比例環節不變，微分環節變為差分，積分環節變為累積求和：

e(n)＝r(n)-y(n) (5)

步驟S3、PID控制器離散化；

根據等效原理，得出離散PID控制器係數與連續PID控制器係數轉換關係為：

其中，TS為系統採用周期，TI、TD分別為離散積分、微分時間常數，K』P、K』I、K』D分別為離散比例、累加、差分環節增益。

步驟S4、參數整定和控制效果分析。

建立實物系統PID控制器後，首先按照步驟S3所得離散參數設置控制器，然後進行進一步參數調節，具體方法參照步驟S2，直到所關注的調節時間、超調量和穩態誤差滿足要求。

綜上所述，本發明公開的電磁驅動微鏡的PID控制方法，微鏡系統調節時間從開環的約45ms，降低到PID控制的約5ms，降低了90％。超調量從開環系統的約33％，降低到小於2.5％。穩態誤差小於0.1mm，即小於參考值的2.5％。該結果說明PID控制微鏡系統動靜態性能顯著提高。PID控制系統對大範圍目標跟蹤同樣具有較好的動靜態性能。

實施例二

本實施例公開了一種電磁驅動微鏡的PID控制系統，所述PID控制系統包括：

微鏡仿真系統PID控制參數調節模塊，該模塊用於對電磁驅動微鏡系統模型進行仿真，添加PID控制模塊，所述PID控制模塊由微分、積分、比例環節並聯而成，通過調節三個環節參數，觀察輸出波形，如果輸出波形的性能參數滿足要求，停止參數整定。

其中，本實施例中微鏡仿真系統PID控制參數調節中電磁驅動微鏡系統模型在MATLAB中進行仿真。

其中，所述輸出波形的性能參數包括但不限於：調節時間、超調量和穩態誤差。

其中，所述微鏡仿真系統PID控制參數調節模塊具體包括：

整定比例控制單元，該單元用於調節控制器比例KP逐漸變大，觀察響應曲線變化，直到響應曲線調節時間較短，超調量較小；

整定積分環節單元，該單元用於在比例環節基礎上，加入少量積分作用，即KI設置較小；同時將所述整定比例控制單元中比例增益調小20～50％，觀察響應曲線變化，適當增大KI，增加積分作用，調節KP，使其能夠跟蹤參考信號，穩態誤差小；

整定微分環節單元，該單元用於在所述整定積分環節單元基礎上，添加少量微分環節，觀察響應曲線超調是否減少、振蕩削弱；同時適當調節比例、積分環節係數，直至輸出波形的性能參數滿足要求。

微鏡實際系統PID控制實現模塊，該模塊將連續PID控制量計算公式離散化，連續PID控制量計算公式如下：

其中，e(t)＝r(t)-y(t)為偏差信號，r(t)為參考輸入信號，y(t)為輸出信號；TI、TD分別為積分、微分時間常數，KP、KI、KD分別為連續比例、積分、微分環節增益；

通過比例環節不變，微分環節變為差分，積分環節變為累積求轉化為離散形式

e(n)＝r(n)-y(n)

其中，離散誤差為e(n)，離散參考輸入信號為r(n)，離散輸出信號為y(n)，其中，K』P、K』I、K』D分別為離散比例、累加、差分環節增益。

PID控制器離散化模塊，該模塊根據等效原理，得出離散PID控制器係數與連續PID控制器係數轉換關係。

參數整定和控制效果分析，該模塊建立實物系統PID控制器後，首先按照所述PID控制器離散化模塊所得離散參數設置控制器，然後按照所述微鏡實際系統PID控制實現模塊進行參數調節，直到輸出波形的性能參數滿足要求。

其中，所述離散PID控制器係數與連續PID控制器係數轉換關係具體如下：

其中，TS為系統採用周期，TI、TD分別為離散積分、微分時間常數，K』P、K』I、K』D分別為離散比例、累加、差分環節增益，KP、KI、KD分別為連續比例、積分、微分環節增益。

值得注意的是，上述系統實施例中，所包括的各個裝置和單元只是按照功能邏輯進行劃分的，但並不局限於上述的劃分，只要能夠實現相應的功能即可；另外，各裝置和單元的具體名稱也只是為了便於相互區分，並不用於限制本發明的保護範圍。

上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。