數(shù)字集成電路需要注意的十個(gè)要點(diǎn)：??盡可能使用前饋結(jié)構(gòu)來補(bǔ)充反饋結(jié)構(gòu)

盡可能使用前饋結(jié)構(gòu)來補(bǔ)充反饋結(jié)構(gòu)

當(dāng)我在 70 年代后期學(xué)習(xí)控制理論時(shí)，我們從未學(xué)習(xí)過前饋系統(tǒng)。一切都基于反饋和“G/(1+GH)”。如果我想從我的控制回路中得到一個(gè)僵硬的響應(yīng)，我唯一知道要做的就是提高我的增益，直到我的系統(tǒng)剛好避免振蕩!但后來我在 90 年代中期閱讀了 Curtis Wilson(無(wú)關(guān))的一篇關(guān)于前饋控制的文章，它改變了我對(duì)控制系統(tǒng)的看法。作為前饋如何工作的示例，假設(shè)您有一個(gè)電機(jī)，您希望在其中控制其電流。反饋方法包括對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行采樣，將其與所需電流進(jìn)行比較以生成誤差信號(hào)，然后將該誤差信號(hào)饋送到控制結(jié)構(gòu)中以驅(qū)動(dòng)電機(jī)電壓。但是前饋方法會(huì)問，“電機(jī)電壓的方程式是什么v(t)作為電流i(t)的函數(shù)?” 一旦定義了方程式，您只需將方程式中的i(t)設(shè)置為您的指令電流，并求解實(shí)現(xiàn)該電流所需的電壓v(t) 。假設(shè)您的傳遞函數(shù)是正確的，如果您隨后將該電壓波形應(yīng)用于電機(jī)繞組，您應(yīng)該會(huì)得到所需的電流波形。

在大多數(shù)情況下，前饋結(jié)構(gòu)比反饋結(jié)構(gòu)快得多。這是因?yàn)榉答伣Y(jié)構(gòu)必須首先在命令值和反饋值之間產(chǎn)生誤差，然后才能生成響應(yīng)。但是前饋結(jié)構(gòu)不按照誤差原理工作。它只是計(jì)算需要應(yīng)用于工廠輸入(例如，電壓)以使其輸出等于命令輸入值(例如，電流)的理論值。而且這樣做完全不會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因?yàn)樗皇褂梅答伝芈?

雖然前饋結(jié)構(gòu)非常適合設(shè)計(jì)能夠快速響應(yīng)輸入變化的控制系統(tǒng)，但它們?cè)谪?fù)載或工廠中無(wú)法預(yù)測(cè)的變化方面表現(xiàn)不佳。然而，這是一個(gè)反饋結(jié)構(gòu)做得很好的領(lǐng)域。因此，最終的解決方案是一種混合方法，您可以使用前饋結(jié)構(gòu)來完成繁重的工作，以在輸入快速變化時(shí)改善瞬態(tài)響應(yīng)，然后使用反饋來校正漂移和其他不可預(yù)測(cè)的低頻效應(yīng)。為了讓反饋環(huán)路做到這一點(diǎn)，它的增益可以設(shè)置為如果它也負(fù)責(zé)瞬態(tài)響應(yīng)則必須達(dá)到的增益的一小部分。較低的增益等于更好的穩(wěn)定性!混合反饋/前饋控制器的示例如下所示。

利用觀察者窺探信號(hào)

很多時(shí)候，您需要訪問無(wú)法直接測(cè)量的隱蔽信號(hào)，例如電機(jī)內(nèi)部的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)或轉(zhuǎn)子磁通的角度。但是，如果此信號(hào)與您確實(shí)可以訪問的其他信號(hào)有明確的關(guān)系，您可以使用稱為 OBSERVER 的東西從其他信號(hào)中擠出丟失的信號(hào)!我仍然對(duì)它的效果感到驚訝!這些小過濾器非常聰明，似乎可以憑空提取信號(hào)。順便說一句，觀察者是反饋結(jié)構(gòu)與前饋結(jié)構(gòu)協(xié)同工作的一個(gè)例子，就像我們?cè)谏弦还?jié)中談到的那樣。

有許多不同類型的觀察者……這里無(wú)法涵蓋。下面是一個(gè)典型的速度觀測(cè)器示例，您可能會(huì)在使用編碼器的數(shù)字控制系統(tǒng)中找到它。試圖從編碼器中擠出速度信息可能會(huì)讓人望而生畏，尤其是在編碼器移動(dòng)非常緩慢的情況下。如果您只是測(cè)量每次采樣更新時(shí)編碼器計(jì)數(shù)之間的差異，您最終會(huì)在低電機(jī)速度下得到非常量化的速度信號(hào)。另一方面，如果你測(cè)量編碼器邊緣轉(zhuǎn)換之間的時(shí)間，你有很多數(shù)字分辨率，但你的速度采樣頻率在低電機(jī)速度下會(huì)被破壞。但是，觀察器可以與您的控制回路的其余部分以相同的采樣頻率運(yùn)行，并且它會(huì)創(chuàng)建一個(gè)具有您想要的分辨率的速度信號(hào)。前饋電流輸入信號(hào)允許觀察者估計(jì)具有零或接近零相位滯后的速度信號(hào)!這真是太酷了!