电磁驱动微镜的PID控制方法及系统与流程

本发明涉及微机电系统(MEMS)的控制技术领域，特别涉及一种电磁驱动微镜的PID控制方法及系统。

背景技术：

电磁驱动微镜是一种尺寸在毫米级、微米级的光学器件，具有小型化、驱动电压低、响应速度快、偏转角度大、可批量生产等特点，广泛应用于光通信、条形码扫描、高清投影、医学成像等领域。

电磁驱动微镜平台是由NI PXI控制器和LabVIEW软件及其他硬件设备组成的。该平台适用于参数测量、系统控制等实验，可通过图形化编程实现离散控制算法，并写入到FPGA中实现系统独立运行。

PID控制器是基于偏差的“过去、现在和将来”信息的控制器。通过输出反馈将参考输入与实际输出信号相减，得到偏差信号e(t)，再通过比例、积分、微分三个环节运算，得到控制量u(t)。e(t)和u(t)计算公式分别为：

e(t)＝r(t)-y(t) (1)

其中，r(t)为参考输入信号，y(t)为输出信号；T_I,T_D分别为积分、微分时间常数，K_P、K_I、K_D分别为比例、积分、微分环节增益。PID控制器传递函数为：

比例控制P是PID控制的基础，物理意义上是具有可调放大系数的放大器，只要存在偏差，就有控制信号。比例K_P越大，调节越快，静差越小，同时系统稳定裕度下降。积分控制I是对偏差的累计。可消除稳态误差，只要存在偏差，控制信号就不断累计变化。直至偏差为零，积分控制信号停止调节，保持常值。积分作用越强，跟踪静差越小，有利于改善系统稳态性能。但可能增加超调量，使系统稳定性下降，响应变慢。微分控制D表征偏差的变化趋势，具有预见性。偏差变化时，微分环节有控制量，偏差不变化，控制量为零。可以缩短调节时间，减小超调量，改善系统动态性能。但同时对噪声有放大作用。一般和比例、积分组成PD或PID控制器，不单独使用。

技术实现要素：

本发明的第一个目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种电磁驱动微镜的PID控制方法，解决电磁驱动微镜开环系统存在的阶跃响应调节时间过长、超调量过大、存在“零点漂移”、不能跟踪输入等技术问题，使电磁微镜系统获得更好的动静态性能，更符合实际应用的需求。

本发明的另一个目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种电磁驱动微镜的PID控制系统。

本发明的第一个目的通过下述技术方案实现：

一种电磁驱动微镜的PID控制方法，所述PID控制方法包括下列步骤：

S1、微镜仿真系统PID控制参数调节；

对于电磁驱动微镜系统模型进行仿真，添加PID控制模块，所述PID控制模块由微分、积分、比例环节并联而成，通过调节三个环节参数，观察输出波形，如果输出波形的性能参数满足要求，停止参数整定；

S2、微镜实际系统PID控制的实现；

将连续PID控制量计算公式离散化，连续PID控制量计算公式如下：

其中，e(t)＝r(t)-y(t)为偏差信号，r(t)为参考输入信号，y(t)为输出信号；T_I、T_D分别为积分、微分时间常数，K_P、K_I、K_D分别为连续比例、积分、微分环节增益；

通过比例环节不变，微分环节变为差分，积分环节变为累积求转化为离散形式

e(n)＝r(n)-y(n)

其中，离散误差为e(n)，离散参考输入信号为r(n)，离散输出信号为y(n)，其中，K’_P、K’_I、K’_D分别为离散比例、累加、差分环节增益；

S3、PID控制器离散化；

根据等效原理，得出离散PID控制器系数与连续PID控制器系数转换关系；

S4、参数整定和控制效果分析；

建立实物系统PID控制器后，首先按照所述步骤S3所得离散参数设置控制器，然后按照所述步骤S2进行参数调节，直到输出波形的性能参数满足要求。

进一步地，所述步骤S1、微镜仿真系统PID控制参数调节具体包括：

S11、整定比例控制；

调节控制器比例K_P逐渐变大，观察响应曲线变化，直到响应曲线调节时间较短，超调量较小；

S12、整定积分环节；

在比例环节基础上，加入少量积分作用，即K_I设置较小；同时将步骤S11中比例增益调小20～50％，观察响应曲线变化，适当增大K_I，增加积分作用，调节K_P，使其能够跟踪参考信号，稳态误差小；

S13、整定微分环节；

在步骤S12基础上，添加少量微分环节，观察响应曲线超调是否减少、振荡削弱；同时适当调节比例、积分环节系数，直至输出波形的性能参数满足要求。

进一步地，所述输出波形的性能参数包括：调节时间、超调量和稳态误差。

进一步地，所述步骤S1、微镜仿真系统PID控制参数调节中电磁驱动微镜系统模型在MATLAB中进行仿真。

进一步地，所述离散PID控制器系数与连续PID控制器系数转换关系具体如下：

其中，T_S为系统采用周期，T_I、T_D分别为离散积分、微分时间常数，K’_P、K’_I、K’_D分别为离散比例、累加、差分环节增益，K_P、K_I、K_D分别为连续比例、积分、微分环节增益。

本发明的另一个目的通过下述技术方案实现：

一种电磁驱动微镜的PID控制系统，所述PID控制系统包括：

微镜仿真系统PID控制参数调节模块，该模块用于对电磁驱动微镜系统模型进行仿真，添加PID控制模块，所述PID控制模块由微分、积分、比例环节并联而成，通过调节三个环节参数，观察输出波形，如果输出波形的性能参数满足要求，停止参数整定；

微镜实际系统PID控制实现模块，该模块将连续PID控制量计算公式离散化，连续PID控制量计算公式如下：

其中，e(t)＝r(t)-y(t)为偏差信号，r(t)为参考输入信号，y(t)为输出信号；T_I、T_D分别为积分、微分时间常数，K_P、K_I、K_D分别为连续比例、积分、微分环节增益；

通过比例环节不变，微分环节变为差分，积分环节变为累积求转化为离散形式

e(n)＝r(n)-y(n)

其中，离散误差为e(n)，离散参考输入信号为r(n)，离散输出信号为y(n)，其中，K’_P、K’_I、K’_D分别为离散比例、累加、差分环节增益；

PID控制器离散化模块，该模块根据等效原理，得出离散PID控制器系数与连续PID控制器系数转换关系；

参数整定和控制效果分析，该模块建立实物系统PID控制器后，首先按照所述PID控制器离散化模块所得离散参数设置控制器，然后按照所述微镜实际系统PID控制实现模块进行参数调节，直到输出波形的性能参数满足要求。

进一步地，所述微镜仿真系统PID控制参数调节模块包括：

整定比例控制单元，该单元用于调节控制器比例K_P逐渐变大，观察响应曲线变化，直到响应曲线调节时间较短，超调量较小；

整定积分环节单元，该单元用于在比例环节基础上，加入少量积分作用，即K_I设置较小；同时将所述整定比例控制单元中比例增益调小20～50％，观察响应曲线变化，适当增大K_I，增加积分作用，调节K_P，使其能够跟踪参考信号，稳态误差小；

整定微分环节单元，该单元用于在所述整定积分环节单元基础上，添加少量微分环节，观察响应曲线超调是否减少、振荡削弱；同时适当调节比例、积分环节系数，直至输出波形的性能参数满足要求。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

本发明公开的电磁驱动微镜的PID控制方法在基于LabVIEW的微镜平台上实现，使微镜系统阶跃响应调节时间缩短，超调量显著降低，消除“零漂”问题，跟踪稳态误差明显减少，大幅提高微镜系统动态性能和静态性能。该方法优点是控制器结构简单，易于物理实现；稳定性好、工作可靠；具有较好的鲁棒性，对模型依赖小。

附图说明

图1是电磁驱动微镜的示意图；

图2是电磁驱动微镜系统框图；

图3是PID控制闭环系统原理图；

图4是PID控制控制LabVIEW程序流程图；

图5是本发明中公开的电磁驱动微镜的PID控制方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

请参见图5，图5是本实施例中公开的电磁驱动微镜的PID控制方法的流程图。本实施例公开的电磁驱动微镜的PID控制方法，在基于LabVIEW的微镜平台上实现，使微镜系统阶跃响应调节时间缩短，超调量显著降低，消除“零漂”问题，跟踪稳态误差明显减少，大幅提高微镜系统动态性能和静态性能。

下面结合图1-图5，具体说明一种电磁驱动微镜的PID控制方法的详细过程。如附图5所示，电磁驱动微镜的PID控制方法包括下列步骤：

步骤S1、微镜仿真系统PID控制参数调节；

对于电磁驱动微镜系统模型在MATLAB中仿真，添加PID控制模块，该模块由微分、积分、比例环节并联而成。通过调节三个环节参数，观察输出波形。如果输出波形的调节时间、超调量、稳态误差性能满足要求，停止参数整定。参数整定方法，按照“先比例，再积分，最后微分”的步骤整定参数，具体操作为：

步骤S11、整定比例控制；

调节控制器比例K_P逐渐变大，观察响应曲线变化，直到响应曲线调节时间较短，超调量较小。

步骤S12、整定积分环节；

在比例环节基础上，加入少量积分作用，即K_I设置较小；同时将步骤S11中比例增益调小20～50％。观察响应曲线变化，适当增大K_I，增加积分作用，调节K_P，使其能够跟踪参考信号，稳态误差小。

步骤S13、整定微分环节；

在步骤S12基础上，添加少量微分环节，观察响应曲线超调是否减少、振荡削弱；同时适当调节比例、积分环节系数，直至得到满意的效果为止。

调节依据：比例环节有助于快速响应和静差减少，会产生振荡；积分环节有助于跟踪、降低静差，会产生明显振荡；微分环节能够削弱超调、振荡，曲线更平滑。

步骤S2、微镜实际系统PID控制的实现；

由于实际微镜平台的数据采集卡含有ADC、DAC，二者之间的部分是离散的数字信号，因此需要将PID控制算法离散化。连续PID控制量计算如公式(2)所示，其中离散误差为e(n)，离散参考输入信号为r(n)，离散输出信号为y(n)。将其转为离散形式时，比例环节不变，微分环节变为差分，积分环节变为累积求和：

e(n)＝r(n)-y(n) (5)

步骤S3、PID控制器离散化；

根据等效原理，得出离散PID控制器系数与连续PID控制器系数转换关系为：

其中，T_S为系统采用周期，T_I、T_D分别为离散积分、微分时间常数，K’_P、K’_I、K’_D分别为离散比例、累加、差分环节增益。

步骤S4、参数整定和控制效果分析。

建立实物系统PID控制器后，首先按照步骤S3所得离散参数设置控制器，然后进行进一步参数调节，具体方法参照步骤S2，直到所关注的调节时间、超调量和稳态误差满足要求。

综上所述，本发明公开的电磁驱动微镜的PID控制方法，微镜系统调节时间从开环的约45ms，降低到PID控制的约5ms，降低了90％。超调量从开环系统的约33％，降低到小于2.5％。稳态误差小于0.1mm，即小于参考值的2.5％。该结果说明PID控制微镜系统动静态性能显著提高。PID控制系统对大范围目标跟踪同样具有较好的动静态性能。

实施例二

本实施例公开了一种电磁驱动微镜的PID控制系统，所述PID控制系统包括：

微镜仿真系统PID控制参数调节模块，该模块用于对电磁驱动微镜系统模型进行仿真，添加PID控制模块，所述PID控制模块由微分、积分、比例环节并联而成，通过调节三个环节参数，观察输出波形，如果输出波形的性能参数满足要求，停止参数整定。

其中，本实施例中微镜仿真系统PID控制参数调节中电磁驱动微镜系统模型在MATLAB中进行仿真。

其中，所述输出波形的性能参数包括但不限于：调节时间、超调量和稳态误差。

其中，所述微镜仿真系统PID控制参数调节模块具体包括：

整定比例控制单元，该单元用于调节控制器比例K_P逐渐变大，观察响应曲线变化，直到响应曲线调节时间较短，超调量较小；

整定积分环节单元，该单元用于在比例环节基础上，加入少量积分作用，即K_I设置较小；同时将所述整定比例控制单元中比例增益调小20～50％，观察响应曲线变化，适当增大K_I，增加积分作用，调节K_P，使其能够跟踪参考信号，稳态误差小；

整定微分环节单元，该单元用于在所述整定积分环节单元基础上，添加少量微分环节，观察响应曲线超调是否减少、振荡削弱；同时适当调节比例、积分环节系数，直至输出波形的性能参数满足要求。

微镜实际系统PID控制实现模块，该模块将连续PID控制量计算公式离散化，连续PID控制量计算公式如下：

其中，e(t)＝r(t)-y(t)为偏差信号，r(t)为参考输入信号，y(t)为输出信号；T_I、T_D分别为积分、微分时间常数，K_P、K_I、K_D分别为连续比例、积分、微分环节增益；

通过比例环节不变，微分环节变为差分，积分环节变为累积求转化为离散形式

e(n)＝r(n)-y(n)

其中，离散误差为e(n)，离散参考输入信号为r(n)，离散输出信号为y(n)，其中，K’_P、K’_I、K’_D分别为离散比例、累加、差分环节增益。

PID控制器离散化模块，该模块根据等效原理，得出离散PID控制器系数与连续PID控制器系数转换关系。

参数整定和控制效果分析，该模块建立实物系统PID控制器后，首先按照所述PID控制器离散化模块所得离散参数设置控制器，然后按照所述微镜实际系统PID控制实现模块进行参数调节，直到输出波形的性能参数满足要求。

其中，所述离散PID控制器系数与连续PID控制器系数转换关系具体如下：

其中，T_S为系统采用周期，T_I、T_D分别为离散积分、微分时间常数，K’_P、K’_I、K’_D分别为离散比例、累加、差分环节增益，K_P、K_I、K_D分别为连续比例、积分、微分环节增益。

值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个装置和单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各装置和单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。