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PID 控制器

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。

用于 500 kHz/5 MHz 锁相放大器的四通道PID选件

用于 50 MHz 锁相放大器的四通道PID选件

用于 600 MHz 锁相放大器的四通道PID选件

  • 50 kHz 最大环路滤波器带宽
  • PID Advisor 和自动调谐 PID
  • 锁相环功能
  • 解调器相位数据的相位展开
50 MHz PID Controller
  • 5 kHz 最大环路滤波器带宽
  • 带有 4 个仿真模型的 PID Advisor 和调谐器
  • 另有单独的锁相环功能选件
  • 设定点可灵活配置
  • 300 kHz 最大环路滤波器带宽
  • PID Advisor 和自动调谐 PID
  • 锁相环功能
  • 解调器相位数据的相位展开

功能描述

Zurich Instruments' PID controllers

附加功能

MFLI 锁相放大器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。

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Sarrafan, A., Azimi, S., Golnaraghi, F. & Bahreyni, B.

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Sci. Rep. 9, 8648 (2019)

Martin-Jimenez, D. et al.

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Appl. Phys. Lett. 117, 131601 (2020)

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