反馈回路是控制系统行为的关键部分,用于光学与光子学、纳米技术与材料科学、量子技术、扫描探针显微镜和传感器等各种领域。闭环控制可以加速瞬态过程,减少干扰对系统的影响,并调谐稳态行为。
PID 控制器
PID 控制器首先将系统输出与用户定义的设定点进行比较,并生成一个误差信号。然后,它会尝试通过调整输出使该误差信号最小化,从而驱动系统。具体过程为:从误差信号中分别计算出比例项 (P)、积分项 (I) 和导数项 (D) 三项,每个项都有自己的增益,再对这三项相加,即可获得驱动信号。
PID 控制器在锁相放大器中的应用
瑞士苏黎世仪器公司提供 PID 控制器,作为锁相放大器、阻抗分析仪和 Boxcar 平均器的专用升级选件。因此,PID 的输入可以有多种不同的选择,包括解调信号的振幅、相位、正交和同相分量、Boxcar 的输出以及辅助输入和输出。PID 集成的数字信号处理,保证了最佳的信噪比、最小化的反馈回路延迟以及非常稳定的闭环操作。即使信号非常微小,PID 也可在噪声强烈、杂散信号丰富的背景中精准定位,并用作可靠的输入。随后,反馈信号可作为模拟输出,也可直接应用于内部频率发生器输出,用于控制其振幅、频率、偏移量和相位。
利用 LabOne® 软件,可以直接表征并设置新的控制回路。该软件配备参数扫描工具、示波器和其他数据采集工具,方便用户轻松掌握系统在时域和频域中的具体情况。此外,PID Advisor 还提供了许多预定义的模型函数,可用于推导初始 PID 参数集,这些参数可在后续进行手动优化,例如,根据记录的阶跃响应,与 PID Advisor 提供的模型进行比较。或者,还可通过自动调谐程序来自动改变 P、I 和 D,从而最大限度减少残差。
附加功能
MFLI 锁相放大器和 UHFLI 锁相放大器的 PID 选件还配备了 D 增益低通滤波和相位展开功能。
在许多情况下,引入 D 增益可以加快回路的响应速度。然而,这通常会导致高频增益的增加,从而引发不稳定。在 D 支路引入可调低通滤波,有助于稳定利用 D 增益。
通过锁相放大器进行相位检测,受 arct2(y/x) 函数限制,检测范围通常仅在 ±π 范围内。这进而限制了 PID 的“捕获范围”,而且存在外部噪声的情况下,运行稳定性也会受到限制。在数字域,通过“相位展开”功能可以打破这些限制,从而进行超出限制的相位检测,并相应地保持跟踪。瑞士苏黎世仪器公司的 PID 支持高达 ± 1024π 的“捕获范围”。
用户优势
- PID 控制器在输入和输出信号方面提供广泛的选择,还可进行自由配置,从而在各种条件下灵活设计和维持闭环控制,而无需额外仪器。在使用多个控制器的情况下,控制器之间可根据需要自由切换。
- 多个 PID 控制器可在同一台仪器内同时运行,从而实现高级反馈回路,同时又避免了复杂的设置。
- PID Advisor 允许用户对系统建模,并计算出合理的启动参数。这些 PID 参数可通过自动调谐程序进一步优化,以最大限度减少 PID 残差。
- LabOne 工具集涵盖示波器、频谱分析仪、扫描工具和绘图工具等一系列工具,有助于对闭环控制的质量进行综合分析和监控。例如,为了查看高斯分布的偏差,可以将 PID 误差以直方图的形式显示,如存在偏差,可能表明设置中的某些部分没有按预期工作。