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!