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恒溫晶體振蕩器的PID控制器原理和作用

來源：金洛鑫瀏覽：- 發(fā)布日期：2018-04-28 17:48:36【大中小】

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OCXO是恒溫石英晶體振蕩器的簡稱，OCXO恒溫晶振屬于高穩(wěn)定，高技術(shù)，高要求，高可靠的高端有源晶振，這種恒溫晶體振蕩器都有一個恒溫槽，里面有一個石英晶體諧振器可以使周圍的溫度保持恒定。并且恒溫晶體振蕩器還可以使頻率變化量減少到最小，而且還融合了低相位抖動，低相噪，低插損等優(yōu)良特性，可以用在智能汽車、工業(yè)產(chǎn)品、科研計量、人造衛(wèi)星、軍事設(shè)備等多個領(lǐng)域。PID控制器是P，PI，PD的統(tǒng)稱，是應(yīng)用到恒溫晶體振蕩器身上的高新技術(shù)。

PID控制器原理

PID控制器是一種線性控制器,它根據(jù)給定值r(t)和實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e（t）

再按比例、積分、微分運(yùn)算后構(gòu)成PID控制規(guī)律

寫成傳遞函數(shù)的形式為：

式中Kp為比例系數(shù),T1為積分時間常數(shù),TD為微分時間常數(shù),原理如圖4.13所示：

下面簡單介紹比例部分、積分部分和微分部分的作用。

1.比例調(diào)節(jié)器(P)

它的輸出和偏差信號成正比,只要偏差出現(xiàn),就能及時地產(chǎn)生與之成比例的調(diào)節(jié)作用。調(diào)節(jié)的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)Kn的大小,K,越大系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快,系統(tǒng)調(diào)節(jié)的石英晶振精度越高,但是容易產(chǎn)生超調(diào),系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差。如果K取值過小,系統(tǒng)響應(yīng)速度變慢,調(diào)節(jié)時間加長,穩(wěn)定性變壞。

2.比例積分調(diào)節(jié)器PI)

只要系統(tǒng)存在誤差,積分控制作用就不斷積累,輸出控制量以消除誤差,因而只要有足夠的時間,積分將能完全消除誤差。參數(shù)T的一個最主要作用就是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,T越大系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差消除的越快,但也不能過大,否則在響應(yīng)過程的初期產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象,若T過小,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差難以消除,影響石英晶體振蕩器系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。

3.比例微分調(diào)節(jié)器(PD)

微分控制可以減小超調(diào)量,克服有源晶振振蕩,使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高,同時加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度,減小過渡過程時間,從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能,具有“前導(dǎo)”作用,但T不能過大,否則會使響應(yīng)過程提前制動,延長調(diào)節(jié)時間,并且會降低系統(tǒng)的抗干擾能力。

為了能在數(shù)字信號處理器中實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的PD控制,必須對其進(jìn)行離散化處理。常見的數(shù)字PID控制方法有位置式和增量式,位置式PID算法每次輸出與整個過去狀態(tài)有關(guān),計算式中要用到過去偏差的累加值,容易產(chǎn)生較大的累積誤差;而增量式PID只需計算增量,當(dāng)存在計算誤差或精度不足時,對控制量計算的影響較小。因?yàn)檫@里PD控制器的執(zhí)行單元是DA轉(zhuǎn)換器,其轉(zhuǎn)換輸出的電壓用來調(diào)節(jié)OCXO晶振的頻率,因此需要的是控制的絕對數(shù)值,而不是控制的增量,所以位置式PID控制算法在這里比較合適,下面將簡單介紹位置式PD控制算法。

當(dāng)采樣時間T很短時,采用數(shù)字逼近的方法,利用求和代替積分: