本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種電磁驅(qū)動微鏡的PID控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

電磁驅(qū)動微鏡是一種尺寸在毫米級、微米級的光學(xué)器件，具有小型化、驅(qū)動電壓低、響應(yīng)速度快、偏轉(zhuǎn)角度大、可批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于光通信、條形碼掃描、高清投影、醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域。

電磁驅(qū)動微鏡平臺是由NI PXI控制器和LabVIEW軟件及其他硬件設(shè)備組成的。該平臺適用于參數(shù)測量、系統(tǒng)控制等實(shí)驗(yàn)，可通過圖形化編程實(shí)現(xiàn)離散控制算法，并寫入到FPGA中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行。

PID控制器是基于偏差的“過去、現(xiàn)在和將來”信息的控制器。通過輸出反饋將參考輸入與實(shí)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(huán)節(jié)運(yùn)算，得到控制量u(t)。e(t)和u(t)計(jì)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；T_I,T_D分別為積分、微分時(shí)間常數(shù)，K_P、K_I、K_D分別為比例、積分、微分環(huán)節(jié)增益。PID控制器傳遞函數(shù)為：

比例控制P是PID控制的基礎(chǔ)，物理意義上是具有可調(diào)放大系數(shù)的放大器，只要存在偏差，就有控制信號。比例K_P越大，調(diào)節(jié)越快，靜差越小，同時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定裕度下降。積分控制I是對偏差的累計(jì)?？上€(wěn)態(tài)誤差，只要存在偏差，控制信號就不斷累計(jì)變化。直至偏差為零，積分控制信號停止調(diào)節(jié)，保持常值。積分作用越強(qiáng)，跟蹤靜差越小，有利于改善系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能。但可能增加超調(diào)量，使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，響應(yīng)變慢。微分控制D表征偏差的變化趨勢，具有預(yù)見性。偏差變化時(shí)，微分環(huán)節(jié)有控制量，偏差不變化，控制量為零?？梢钥s短調(diào)節(jié)時(shí)間，減小超調(diào)量，改善系統(tǒng)動態(tài)性能。但同時(shí)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(dú)使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一個目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種電磁驅(qū)動微鏡的PID控制方法，解決電磁驅(qū)動微鏡開環(huán)系統(tǒng)存在的階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間過長、超調(diào)量過大、存在“零點(diǎn)漂移”、不能跟蹤輸入等技術(shù)問題，使電磁微鏡系統(tǒng)獲得更好的動靜態(tài)性能，更符合實(shí)際應(yīng)用的需求。

本發(fā)明的另一個目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種電磁驅(qū)動微鏡的PID控制系統(tǒng)。

本發(fā)明的第一個目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種電磁驅(qū)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(tǒng)PID控制參數(shù)調(diào)節(jié)；

對于電磁驅(qū)動微鏡系統(tǒng)模型進(jìn)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(huán)節(jié)并聯(lián)而成，通過調(diào)節(jié)三個環(huán)節(jié)參數(shù)，觀察輸出波形，如果輸出波形的性能參數(shù)滿足要求，停止參數(shù)整定；

S2、微鏡實(shí)際系統(tǒng)PID控制的實(shí)現(xiàn)；

將連續(xù)PID控制量計(jì)算公式離散化，連續(xù)PID控制量計(jì)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；T_I、T_D分別為積分、微分時(shí)間常數(shù)，K_P、K_I、K_D分別為連續(xù)比例、積分、微分環(huán)節(jié)增益；

通過比例環(huán)節(jié)不變，微分環(huán)節(jié)變?yōu)椴罘?，積分環(huán)節(jié)變?yōu)槔鄯e求轉(zhuǎn)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(huán)節(jié)增益；

S3、PID控制器離散化；

根據(jù)等效原理，得出離散PID控制器系數(shù)與連續(xù)PID控制器系數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系；

S4、參數(shù)整定和控制效果分析；

建立實(shí)物系統(tǒng)PID控制器后，首先按照所述步驟S3所得離散參數(shù)設(shè)置控制器，然后按照所述步驟S2進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，直到輸出波形的性能參數(shù)滿足要求。

進(jìn)一步地，所述步驟S1、微鏡仿真系統(tǒng)PID控制參數(shù)調(diào)節(jié)具體包括：

S11、整定比例控制；

調(diào)節(jié)控制器比例K_P逐漸變大，觀察響應(yīng)曲線變化，直到響應(yīng)曲線調(diào)節(jié)時(shí)間較短，超調(diào)量較?。?/p>

S12、整定積分環(huán)節(jié)；

在比例環(huán)節(jié)基礎(chǔ)上，加入少量積分作用，即K_I設(shè)置較?。煌瑫r(shí)將步驟S11中比例增益調(diào)小20～50％，觀察響應(yīng)曲線變化，適當(dāng)增大K_I，增加積分作用，調(diào)節(jié)K_P，使其能夠跟蹤參考信號，穩(wěn)態(tài)誤差小；

S13、整定微分環(huán)節(jié)；

在步驟S12基礎(chǔ)上，添加少量微分環(huán)節(jié)，觀察響應(yīng)曲線超調(diào)是否減少、振蕩削弱；同時(shí)適當(dāng)調(diào)節(jié)比例、積分環(huán)節(jié)系數(shù)，直至輸出波形的性能參數(shù)滿足要求。

進(jìn)一步地，所述輸出波形的性能參數(shù)包括：調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差。

進(jìn)一步地，所述步驟S1、微鏡仿真系統(tǒng)PID控制參數(shù)調(diào)節(jié)中電磁驅(qū)動微鏡系統(tǒng)模型在MATLAB中進(jìn)行仿真。

進(jìn)一步地，所述離散PID控制器系數(shù)與連續(xù)PID控制器系數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系具體如下：

其中，T_S為系統(tǒng)采用周期，T_I、T_D分別為離散積分、微分時(shí)間常數(shù)，K’_P、K’_I、K’_D分別為離散比例、累加、差分環(huán)節(jié)增益，K_P、K_I、K_D分別為連續(xù)比例、積分、微分環(huán)節(jié)增益。

本發(fā)明的另一個目的通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種電磁驅(qū)動微鏡的PID控制系統(tǒng)，所述PID控制系統(tǒng)包括：

微鏡仿真系統(tǒng)PID控制參數(shù)調(diào)節(jié)模塊，該模塊用于對電磁驅(qū)動微鏡系統(tǒng)模型進(jìn)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(huán)節(jié)并聯(lián)而成，通過調(diào)節(jié)三個環(huán)節(jié)參數(shù)，觀察輸出波形，如果輸出波形的性能參數(shù)滿足要求，停止參數(shù)整定；

微鏡實(shí)際系統(tǒng)PID控制實(shí)現(xiàn)模塊，該模塊將連續(xù)PID控制量計(jì)算公式離散化，連續(xù)PID控制量計(jì)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；T_I、T_D分別為積分、微分時(shí)間常數(shù)，K_P、K_I、K_D分別為連續(xù)比例、積分、微分環(huán)節(jié)增益；

通過比例環(huán)節(jié)不變，微分環(huán)節(jié)變?yōu)椴罘?，積分環(huán)節(jié)變?yōu)槔鄯e求轉(zhuǎn)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(huán)節(jié)增益；

PID控制器離散化模塊，該模塊根據(jù)等效原理，得出離散PID控制器系數(shù)與連續(xù)PID控制器系數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系；

參數(shù)整定和控制效果分析，該模塊建立實(shí)物系統(tǒng)PID控制器后，首先按照所述PID控制器離散化模塊所得離散參數(shù)設(shè)置控制器，然后按照所述微鏡實(shí)際系統(tǒng)PID控制實(shí)現(xiàn)模塊進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，直到輸出波形的性能參數(shù)滿足要求。

進(jìn)一步地，所述微鏡仿真系統(tǒng)PID控制參數(shù)調(diào)節(jié)模塊包括：

整定比例控制單元，該單元用于調(diào)節(jié)控制器比例K_P逐漸變大，觀察響應(yīng)曲線變化，直到響應(yīng)曲線調(diào)節(jié)時(shí)間較短，超調(diào)量較??；

整定積分環(huán)節(jié)單元，該單元用于在比例環(huán)節(jié)基礎(chǔ)上，加入少量積分作用，即K_I設(shè)置較?。煌瑫r(shí)將所述整定比例控制單元中比例增益調(diào)小20～50％，觀察響應(yīng)曲線變化，適當(dāng)增大K_I，增加積分作用，調(diào)節(jié)K_P，使其能夠跟蹤參考信號，穩(wěn)態(tài)誤差?。?/p>

整定微分環(huán)節(jié)單元，該單元用于在所述整定積分環(huán)節(jié)單元基礎(chǔ)上，添加少量微分環(huán)節(jié)，觀察響應(yīng)曲線超調(diào)是否減少、振蕩削弱；同時(shí)適當(dāng)調(diào)節(jié)比例、積分環(huán)節(jié)系數(shù)，直至輸出波形的性能參數(shù)滿足要求。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點(diǎn)及效果：

本發(fā)明公開的電磁驅(qū)動微鏡的PID控制方法在基于LabVIEW的微鏡平臺上實(shí)現(xiàn)，使微鏡系統(tǒng)階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，超調(diào)量顯著降低，消除“零漂”問題，跟蹤穩(wěn)態(tài)誤差明顯減少，大幅提高微鏡系統(tǒng)動態(tài)性能和靜態(tài)性能。該方法優(yōu)點(diǎn)是控制器結(jié)構(gòu)簡單，易于物理實(shí)現(xiàn)；穩(wěn)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(qū)動微鏡的示意圖；

圖2是電磁驅(qū)動微鏡系統(tǒng)框圖；

圖3是PID控制閉環(huán)系統(tǒng)原理圖；

圖4是PID控制控制LabVIEW程序流程圖；

圖5是本發(fā)明中公開的電磁驅(qū)動微鏡的PID控制方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

實(shí)施例一

請參見圖5，圖5是本實(shí)施例中公開的電磁驅(qū)動微鏡的PID控制方法的流程圖。本實(shí)施例公開的電磁驅(qū)動微鏡的PID控制方法，在基于LabVIEW的微鏡平臺上實(shí)現(xiàn)，使微鏡系統(tǒng)階躍響應(yīng)調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，超調(diào)量顯著降低，消除“零漂”問題，跟蹤穩(wěn)態(tài)誤差明顯減少，大幅提高微鏡系統(tǒng)動態(tài)性能和靜態(tài)性能。

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

步驟S1、微鏡仿真系統(tǒng)PID控制參數(shù)調(diào)節(jié)；

對于電磁驅(qū)動微鏡系統(tǒng)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(huán)節(jié)并聯(lián)而成。通過調(diào)節(jié)三個環(huán)節(jié)參數(shù)，觀察輸出波形。如果輸出波形的調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量、穩(wěn)態(tài)誤差性能滿足要求，停止參數(shù)整定。參數(shù)整定方法，按照“先比例，再積分，最后微分”的步驟整定參數(shù)，具體操作為：

步驟S11、整定比例控制；

調(diào)節(jié)控制器比例K_P逐漸變大，觀察響應(yīng)曲線變化，直到響應(yīng)曲線調(diào)節(jié)時(shí)間較短，超調(diào)量較小。

步驟S12、整定積分環(huán)節(jié)；

在比例環(huán)節(jié)基礎(chǔ)上，加入少量積分作用，即K_I設(shè)置較??；同時(shí)將步驟S11中比例增益調(diào)小20～50％。觀察響應(yīng)曲線變化，適當(dāng)增大K_I，增加積分作用，調(diào)節(jié)K_P，使其能夠跟蹤參考信號，穩(wěn)態(tài)誤差小。

步驟S13、整定微分環(huán)節(jié)；

在步驟S12基礎(chǔ)上，添加少量微分環(huán)節(jié)，觀察響應(yīng)曲線超調(diào)是否減少、振蕩削弱；同時(shí)適當(dāng)調(diào)節(jié)比例、積分環(huán)節(jié)系數(shù)，直至得到滿意的效果為止。

調(diào)節(jié)依據(jù)：比例環(huán)節(jié)有助于快速響應(yīng)和靜差減少，會產(chǎn)生振蕩；積分環(huán)節(jié)有助于跟蹤、降低靜差，會產(chǎn)生明顯振蕩；微分環(huán)節(jié)能夠削弱超調(diào)、振蕩，曲線更平滑。

步驟S2、微鏡實(shí)際系統(tǒng)PID控制的實(shí)現(xiàn)；

由于實(shí)際微鏡平臺的數(shù)據(jù)采集卡含有ADC、DAC，二者之間的部分是離散的數(shù)字信號，因此需要將PID控制算法離散化。連續(xù)PID控制量計(jì)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(zhuǎn)為離散形式時(shí)，比例環(huán)節(jié)不變，微分環(huán)節(jié)變?yōu)椴罘?，積分環(huán)節(jié)變?yōu)槔鄯e求和：

e(n)＝r(n)-y(n) (5)

步驟S3、PID控制器離散化；

根據(jù)等效原理，得出離散PID控制器系數(shù)與連續(xù)PID控制器系數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

其中，T_S為系統(tǒng)采用周期，T_I、T_D分別為離散積分、微分時(shí)間常數(shù)，K’_P、K’_I、K’_D分別為離散比例、累加、差分環(huán)節(jié)增益。

步驟S4、參數(shù)整定和控制效果分析。

建立實(shí)物系統(tǒng)PID控制器后，首先按照步驟S3所得離散參數(shù)設(shè)置控制器，然后進(jìn)行進(jìn)一步參數(shù)調(diào)節(jié)，具體方法參照步驟S2，直到所關(guān)注的調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差滿足要求。

綜上所述，本發(fā)明公開的電磁驅(qū)動微鏡的PID控制方法，微鏡系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間從開環(huán)的約45ms，降低到PID控制的約5ms，降低了90％。超調(diào)量從開環(huán)系統(tǒng)的約33％，降低到小于2.5％。穩(wěn)態(tài)誤差小于0.1mm，即小于參考值的2.5％。該結(jié)果說明PID控制微鏡系統(tǒng)動靜態(tài)性能顯著提高。PID控制系統(tǒng)對大范圍目標(biāo)跟蹤同樣具有較好的動靜態(tài)性能。

實(shí)施例二

本實(shí)施例公開了一種電磁驅(qū)動微鏡的PID控制系統(tǒng)，所述PID控制系統(tǒng)包括：

微鏡仿真系統(tǒng)PID控制參數(shù)調(diào)節(jié)模塊，該模塊用于對電磁驅(qū)動微鏡系統(tǒng)模型進(jìn)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(huán)節(jié)并聯(lián)而成，通過調(diào)節(jié)三個環(huán)節(jié)參數(shù)，觀察輸出波形，如果輸出波形的性能參數(shù)滿足要求，停止參數(shù)整定。

其中，本實(shí)施例中微鏡仿真系統(tǒng)PID控制參數(shù)調(diào)節(jié)中電磁驅(qū)動微鏡系統(tǒng)模型在MATLAB中進(jìn)行仿真。

其中，所述輸出波形的性能參數(shù)包括但不限于：調(diào)節(jié)時(shí)間、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)誤差。

其中，所述微鏡仿真系統(tǒng)PID控制參數(shù)調(diào)節(jié)模塊具體包括：

整定比例控制單元，該單元用于調(diào)節(jié)控制器比例K_P逐漸變大，觀察響應(yīng)曲線變化，直到響應(yīng)曲線調(diào)節(jié)時(shí)間較短，超調(diào)量較??；

整定積分環(huán)節(jié)單元，該單元用于在比例環(huán)節(jié)基礎(chǔ)上，加入少量積分作用，即K_I設(shè)置較?。煌瑫r(shí)將所述整定比例控制單元中比例增益調(diào)小20～50％，觀察響應(yīng)曲線變化，適當(dāng)增大K_I，增加積分作用，調(diào)節(jié)K_P，使其能夠跟蹤參考信號，穩(wěn)態(tài)誤差小；

整定微分環(huán)節(jié)單元，該單元用于在所述整定積分環(huán)節(jié)單元基礎(chǔ)上，添加少量微分環(huán)節(jié)，觀察響應(yīng)曲線超調(diào)是否減少、振蕩削弱；同時(shí)適當(dāng)調(diào)節(jié)比例、積分環(huán)節(jié)系數(shù)，直至輸出波形的性能參數(shù)滿足要求。

微鏡實(shí)際系統(tǒng)PID控制實(shí)現(xiàn)模塊，該模塊將連續(xù)PID控制量計(jì)算公式離散化，連續(xù)PID控制量計(jì)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；T_I、T_D分別為積分、微分時(shí)間常數(shù)，K_P、K_I、K_D分別為連續(xù)比例、積分、微分環(huán)節(jié)增益；

通過比例環(huán)節(jié)不變，微分環(huán)節(jié)變?yōu)椴罘?，積分環(huán)節(jié)變?yōu)槔鄯e求轉(zhuǎn)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(huán)節(jié)增益。

PID控制器離散化模塊，該模塊根據(jù)等效原理，得出離散PID控制器系數(shù)與連續(xù)PID控制器系數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系。

參數(shù)整定和控制效果分析，該模塊建立實(shí)物系統(tǒng)PID控制器后，首先按照所述PID控制器離散化模塊所得離散參數(shù)設(shè)置控制器，然后按照所述微鏡實(shí)際系統(tǒng)PID控制實(shí)現(xiàn)模塊進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)，直到輸出波形的性能參數(shù)滿足要求。

其中，所述離散PID控制器系數(shù)與連續(xù)PID控制器系數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系具體如下：

其中，T_S為系統(tǒng)采用周期，T_I、T_D分別為離散積分、微分時(shí)間常數(shù)，K’_P、K’_I、K’_D分別為離散比例、累加、差分環(huán)節(jié)增益，K_P、K_I、K_D分別為連續(xù)比例、積分、微分環(huán)節(jié)增益。

值得注意的是，上述系統(tǒng)實(shí)施例中，所包括的各個裝置和單元只是按照功能邏輯進(jìn)行劃分的，但并不局限于上述的劃分，只要能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能即可；另外，各裝置和單元的具體名稱也只是為了便于相互區(qū)分，并不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。