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恒溫晶振屬于高穩定，高技術，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，低插損等優良特性，可以用在智能汽車、工業產品、科研計量、人造衛星、軍事設備等多個領域。PID控制器是P，PI，PD的統稱，是應用到恒溫晶體振蕩器身上的高新技術。

PID控制器原理

PID控制器是一種線性控制器,它根據給定值r(t)和實際輸出值y(t)構成控制偏差e（t）

再按比例、積分、微分運算后構成PID控制規律

寫成傳遞函數的形式為：

式中Kp為比例系數,T1為積分時間常數,TD為微分時間常數,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.比例調節器(P)

它的輸出和偏差信號成正比,只要偏差出現,就能及時地產生與之成比例的調節作用。調節的強弱取決于比例系數Kn的大小,K,越大系統的響應速度越快,系統調節的石英晶振精度越高,但是容易產生超調,系統的穩定性變差。如果K取值過小,系統響應速度變慢,調節時間加長,穩定性變壞。

2.比例積分調節器PI)

只要系統存在誤差,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T的一個最主要作用就是消除系統的穩態誤差,T越大系統穩態誤差消除的越快,但也不能過大,否則在響應過程的初期產生積分飽和現象,若T過小,系統的穩態誤差難以消除,影響石英晶體振蕩器系統的調節精度。

3.比例微分調節器(PD)

微分控制可以減小超調量,克服有源晶振振蕩,使系統的穩定性提高,同時加快系統的動態響應速度,減小過渡過程時間,從而改善系統的動態性能,具有“前導”作用,但T不能過大,否則會使響應過程提前制動,延長調節時間,并且會降低系統的抗干擾能力。

為了能在數字信號處理器中實現對系統的PD控制,必須對其進行離散化處理。常見的數字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有關,計算式中要用到過去偏差的累加值,容易產生較大的累積誤差;而增量式PID只需計算增量,當存在計算誤差或精度不足時,對控制量計算的影響較小。因為這里PD控制器的執行單元是DA轉換器,其轉換輸出的電壓用來調節OCXO晶振的頻率,因此需要的是控制的絕對數值,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。

當采樣時間T很短時,采用數字逼近的方法,利用求和代替積分: