基于ADUC7026的PID算法在基站功率控制中的應(yīng)用
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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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，工作可靠，調(diào)整方便，多被應(yīng)用到被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握或得不到精確數(shù)學(xué)模型的環(huán)境中。將數(shù)字PID控制算法應(yīng)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(luò)規(guī)劃時(shí)的覆蓋距離要求，而減少小區(qū)覆蓋范圍，又不會(huì)產(chǎn)生過強(qiáng)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(diǎn)討論它們在基于ADUC7026的基站功率控制中的應(yīng)用方法，并對比它們的測試結(jié)果，給出結(jié)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(jié)構(gòu)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(guān)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(yīng)用于醫(yī)用超聲的波束成形技術(shù)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(shí)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(jìn)行相移和累加，然后提取相干信息。波束成形有兩個(gè)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(diǎn)，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(gè)有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間[1]。
2.2 數(shù)字PID控制
為便于計(jì)算機(jī)通過軟件實(shí)現(xiàn)PID控制算法，在實(shí)際應(yīng)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(shí)刻點(diǎn)kT代表連續(xù)時(shí)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(dāng)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(guān)，計(jì)算時(shí)要對 進(jìn)行累加，CPU輸出控制量 對應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置偏差。因?qū)?量進(jìn)行累加， 可能出現(xiàn)大幅度變化，進(jìn)而會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大幅度變化，這種情況在實(shí)際生產(chǎn)中是不允許的，在某些場合可能還會(huì)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(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量時(shí)，可由式(2)導(dǎo)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(gè)部分的功能要求，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，射頻信號通過可調(diào)衰減器，驅(qū)動(dòng)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(jī)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(shè)計(jì)的復(fù)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(yīng)用來說非常有益。
圖3 自動(dòng)功率控制結(jié)構(gòu)框圖
圖3所示為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)功率控制電路的基本結(jié)構(gòu)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(shí)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(zhuǎn)化成對應(yīng)的電壓值。將采樣得到的信號功率經(jīng)ADuC7026中的ADC轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，再經(jīng)PID運(yùn)算，得到控制可調(diào)衰減器的電壓，由內(nèi)部DAC轉(zhuǎn)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(dá)到驅(qū)動(dòng)功率放大器的輸出功率可控的目的[6]。
由圖3功率控制結(jié)構(gòu)框圖可知，實(shí)際的輸出功率表達(dá)式如式(5)所示。
(5)
根據(jù)ADC轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字電壓值轉(zhuǎn)換成采樣前的實(shí)際輸出功率值的表達(dá)式如式(6)所示。
(6)
其中ADC_Data為ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)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(yùn)算結(jié)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?qū)崿F(xiàn)及其測試結(jié)果。
4.1 位置式PID算法流程
圖4 位置式PID算法流程圖
對應(yīng)圖4算法流程圖，PID控制部分實(shí)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(shí)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(shè)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(yīng)為式(7)所示。
(7)
圖5所示為采用位置式PID算法，在系統(tǒng)輸出功率為-1dBm時(shí)，調(diào)整其輸出功率為-10dBm的實(shí)測曲線。
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