基于ADUC7026的PID算法在基站功率控制中的應用

作者：時間：2012-03-12 來源：網(wǎng)絡

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1.前言

　　數(shù)字PID控制在生產(chǎn)過程中是一種最普遍采用的控制方法，其特點是結構簡單，穩(wěn)定性好，工作可靠，調(diào)整方便，多被應用到被控對象的結構和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確數(shù)學模型的環(huán)境中。將數(shù)字PID控制算法應用于基站發(fā)射功率控制，可以極大地提高基站發(fā)射功率的穩(wěn)定性和可靠性，控制輸出功率在覆蓋允許范圍內(nèi)，不至過小無法滿足網(wǎng)絡規(guī)劃時的覆蓋距離要求，而減少小區(qū)覆蓋范圍，又不會產(chǎn)生過強的輸出信號對相鄰基站造成干擾。本文首先分析數(shù)字PID控制算法中的兩種常見算法，而后重點討論它們在基于ADUC7026的基站功率控制中的應用方法，并對比它們的測試結果，給出結論。

　　2.數(shù)字PID控制原理

　　2.1 PID控制的基本原理

　　圖1 PID控制結構框圖

　　常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，其控制規(guī)律為：

(1)

　　式中為操作量，為誤差，為比例系數(shù)，為積分系數(shù)，為微分系數(shù)。簡單說來，PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：

　　1. 比例環(huán)節(jié)

　　比例控制是一種最簡單的控制方式，控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關系。偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。

　　2. 積分環(huán)節(jié)

　　應用于醫(yī)用超聲的波束成形技術的定義是，由公共源產(chǎn)生、但由多元件超聲傳感器在不同時間接收到的所有信號的相位對齊和累加。在連續(xù)波多普勒(CWD)通道中，要對所有接收器通道進行相移和累加，然后提取相干信息。波束成形有兩個功能：它不僅能向傳感器傳遞方向性——提高其增益，而且能定義體內(nèi)的焦點，并由此確定回波位置。

　　3. 微分環(huán)節(jié)

　　微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間[1]。

　　2.2 數(shù)字PID控制

　　為便于計算機通過軟件實現(xiàn)PID控制算法，在實際應用中多采用數(shù)字PID控制方式。數(shù)字PID控制算法通常又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。

2.2.1 位置式PID控制算法

　　按模擬PID控制算法的算式(1)，以一系列的采樣時刻點kT代表連續(xù)時間t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可做如下近似：

;

　　式中：T為采樣周期，k為采樣序號，只要采樣周期T取得足夠小，這種逼近就可以相當精確，于是可得：

(2)

　　位置式PID控制算法使用全量輸出，所以每次輸出均與過去的狀態(tài)有關，計算時要對進行累加，CPU輸出控制量對應執(zhí)行機構的實際位置偏差。因對量進行累加，可能出現(xiàn)大幅度變化，進而會引起執(zhí)行機構的大幅度變化，這種情況在實際生產(chǎn)中是不允許的，在某些場合可能還會造成重大事故，因而產(chǎn)生了增量式PID控制算法。

　　2.2.2 增量式PID控制算法

　　當執(zhí)行機構需要的是控制量的增量時，可由式(2)導出提供增量的PID控制算式。根據(jù)遞推原理可得

(3)

　　用式(2)減去式(3)，即得到增量式PID控制算法：

(4)

　　其中

，

[2]

　　3.基站功率監(jiān)測系統(tǒng)框圖及功率控制框圖

　　圖2 基站功率監(jiān)測系統(tǒng)框圖

　　根據(jù)基站功率監(jiān)測系統(tǒng)的各個部分的功能要求，系統(tǒng)的結構組成如圖2所示，射頻信號通過可調(diào)衰減器，驅動功率放大器，末級功率放大器，定向耦合器至天線發(fā)射。微控制器ADuC7026采集功率放大模塊上的兩級LDMOS的溫度和漏極電流值、功放輸出的前向功率值、反向功率值，控制器將采集到的數(shù)據(jù)傳送到PC的監(jiān)控界面顯示，用戶也可通過人機交互界面調(diào)整監(jiān)控系統(tǒng)的控制參數(shù)。ADuC7026可以為基站功率監(jiān)測系統(tǒng)提供集成的解決方案，從而降低PCB設計的復雜度并減小PCB面積，節(jié)省系統(tǒng)成本，而且ADuC7026[3]支持外同步采樣，這對需要外同步采樣的TD-SCDMA應用來說非常有益。

　　圖3 自動功率控制結構框圖

　　圖3所示為實現(xiàn)自動功率控制電路的基本結構框圖，系統(tǒng)中輸出功率為被控對象，信號傳輸通路為一級可調(diào)衰減器和兩級放大電路。前級功率放大器采用ADI公司的ADL5323[4]來實現(xiàn)，該芯片的輸入輸出端已作50ohm匹配，節(jié)省了外部的阻抗匹配電路。檢波器采用ADI公司的AD8364[5]，用于將采樣的功率值轉化成對應的電壓值。將采樣得到的信號功率經(jīng)ADuC7026中的ADC轉化成數(shù)字信號，再經(jīng)PID運算，得到控制可調(diào)衰減器的電壓，由內(nèi)部DAC轉化輸出，通過調(diào)整可調(diào)衰減器的控制電壓可產(chǎn)生不同的衰減量，以達到驅動功率放大器的輸出功率可控的目的[6]。

4.PID算法實現(xiàn)

　　由圖3功率控制結構框圖可知，實際的輸出功率表達式如式(5)所示。

(5)

　　根據(jù)ADC轉換得到的數(shù)字電壓值轉換成采樣前的實際輸出功率值的表達式如式(6)所示。

(6)

　　其中ADC_Data為ADC的轉換結果，2.5V為ADC的參考電壓值，4096為12-bit ADC滿量程輸入值，是AD8364的傳遞函數(shù)，10dB為耦合器的衰減量。

　　DAC的輸出電壓由不同PID算法的運算結果和可調(diào)衰減器的傳遞函數(shù)決定，下面介紹兩種不同PID算法的流程、程序實現(xiàn)及其測試結果。

　　4.1 位置式PID算法流程

　　圖4 位置式PID算法流程圖

　　對應圖4算法流程圖，PID控制部分實現(xiàn)程序如下：

　　ActualOutputPower = 25*(float)ADCForwardPowerResult/1024-43;

　　Error = SetOutputPower - ActualOutputPower;

　　SumError += Error;

　　Output = Proportion*Error + Integral*SumError + Derivative* (Error – LastError);

　　LastError = Error;

　　DACVoltageValue = (float)((Output + 26.1667)*3/31);

　　SetDACValue = (unsigned int)(DACVoltageValue*4096/2.5);

　　這里，DACVoltageValue的值由輸入信號功率，兩級固定增益放大器和可調(diào)衰減器的傳遞函數(shù)決定，實際程序中給出的參數(shù)是經(jīng)系統(tǒng)線性校正后的參數(shù)。理想情況下，假設可調(diào)衰減器的傳遞函數(shù)為：衰減量=k*控制電壓+b，輸入信號功率為pin兩級固定增益放大器的增益為g1和g2，則DAC的輸出應為式(7)所示。