基于比例積分控制器的恒定相移低通濾波電路

王 帥，劉文怡，王紅亮，符多鐸

（1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051；2.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

0 引言

在設計電路時，低通濾波器是非常重要的模塊，主要作用是從多種頻率成分的復雜信號中，將感興趣的信號提取出來。然而濾波器在濾波的同時會使輸入信號產(chǎn)生相位偏移，而這種相移（除部分FIR數(shù)字濾波器）是非線性的［1］。濾波器應用在表面粗糙度測量時，由于2RC濾波器本身的非線性相移特性，用2RC濾波法建立的評定中線會造成表面粗糙度輪廓的嚴重失真［2］，此外，在相參雷達體系［3－4］和醫(yī)療成像［5］等領域也有消極影響。目前，解決問題的主要方法是通過全通濾波器［6－7］，最優(yōu) Hankel范數(shù)算法濾波器［8］或者利用時間反轉法構造的零相位濾波器［9］把非線性相位偏移轉換為線性相移或恒定相移，但利用全通濾波器實現(xiàn)線性相位偏移的條件苛刻，計算復雜，而且誤差較大。零相位濾波器只能通過軟件（或者虛擬儀器）實現(xiàn)，無法應用于實際的硬件電路［9］，因為該算法將輸入信號及其時間反轉后的信號相加，也就是將未來的信號序列和現(xiàn)在的相加，在實際電路中無法實現(xiàn)。為此，本文提出基于比例積分控制器的恒定相移低通濾波電路。

1 低通濾波器與比例積分控制器

1.1 低通濾波器的相位響應

一階低通濾波器的硬件電路如圖1所示［10］，傳遞函數(shù)表達式為：

相位響應為：

式（2）中截止頻率wH＝RC。

圖1 一階低通濾波器的電路圖Fig.1 Circuit diagram of first－order low－pass filter

1.2 比例積分控制器的相位響應

比例積分控制器是一種線性控制，結構如圖2所示，其表達式為：

式（3）中Kp為比例積分控制器的比例系數(shù)，調節(jié)Ti影響積分控制作用，e（t）系統(tǒng)理想輸出量r（t）和實際輸出量c（t）之間的誤差。

比例積分控制的傳遞函數(shù)的在頻域表達式為：

相位響應為：

圖2 比例積分控制器的結構圖Fig.2 Structure of PI controller

比例積分控制是控制工程中一種技術成熟、理論完善和應用較為廣泛的控制策略，通過比例控制作用調節(jié)積分作用所導致相角滯后對系統(tǒng)的穩(wěn)定性所帶來的不利影響，通過引入積分控制作用以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能［11］。

2 基于比例積分控制器的恒定相移低通濾波電路

基于比例積分控制器的恒定相移低通濾波電路的結構如圖3所示，包括兩個模塊：N階低通濾波器與N個比例積分控制器。該電路工作過程是：首先，設置低通濾波器的極點值Wn等于比例積分控制器積分時間常數(shù)Tin的倒數(shù)，即Tin＝1／Wn（其中W1是濾波器截止頻率，n＝1，2，…，N），且低通濾波器的階數(shù)與比例積分控制器的個數(shù)相同。然后，當信號經(jīng)過N階低通濾波器濾除噪聲時，其本身產(chǎn)生相位偏移，而經(jīng)過N個比例積分控制器同樣產(chǎn)生偏移，但信號兩次偏移的和為恒定值。最后，根據(jù)濾波器的階數(shù)和比例積分控制器的個數(shù)，可以準確預知信號的相位偏移。

圖3 恒定相移電路的結構框圖Fig.3 Structure of constant phase shift system

3 驗證

3.1 理論證明

如圖4所示，一階低通濾波器和一個比例積分控制器級聯(lián)得到系統(tǒng)的相位響應為：

式（7）中Ti若取值Ti＝1／wH得到：

將式（8）帶入式（6）的結果為：

式（9）得到系統(tǒng)相移在整個W 中恒等于－π／2。

從前面的推理可以得出結論：當Ti＝1／wH時，一階低通濾波器和一個比例積分控制器級聯(lián)得到系統(tǒng)的相移值在整個頻域等于－π／2。

圖4 一階低通濾波器、比例積分控制器和系統(tǒng)相移的示意圖Fig.4 Phase shift diagram of first－order low－pass filter，PI controller and the system

從這個特例推廣到N階系統(tǒng)：在N階系統(tǒng)中，如果低通濾波器的階數(shù)和比例積分控制器模塊的個數(shù)相等，且滿足低通濾波器的極點值等于比例積分控制器積分時間常數(shù)的倒數(shù)，是否可以得到在整個頻域具有恒定相移？

圖5 N個一階系統(tǒng)級聯(lián)的N階系統(tǒng)Fig.5 N－order system of N＊first－order systems cascaded

實現(xiàn)上述假設，需要分兩步進行證明：

第一步：證明圖5中由N個一階系統(tǒng)級聯(lián)組成的N 階系統(tǒng)相移為恒定值，且相移值為－N·π／2。

第二步：證明圖5的N階系統(tǒng)與圖3中由N階濾波器和N個比例積分控制器級聯(lián)的N階系統(tǒng)等價。

第一步的證明：

假定n＝N時，系統(tǒng)的相位偏移恒定且值為－N·π／2，當n＝N＋1時，整個系統(tǒng)的相位偏移為：

式（10）中φN（ω）為N 階系統(tǒng)的相移，φ1（ω）為一階系統(tǒng)的相移，且都為常數(shù)；

則φN＋1（ω）＝A ，A 為常數(shù)

所以，當n＝N＋1時，系統(tǒng)的相移為常數(shù)且值為－（N＋1）·π／2，因此，圖5中由N 個一階系統(tǒng)級聯(lián)組成的N階系統(tǒng)相位偏移為恒定值，且偏移值為－N·π／2。

第二步的證明：

設低通濾波器、比例積分控制器和構成的系統(tǒng)在頻域為Au（jw），G（jw），Y（jw），則系統(tǒng)在頻域的表達式：

圖5的N 階系統(tǒng)表達式為：Yn（jω）＝Au1（jω）

根據(jù)乘法的交換律得：

而N階低通濾波器可以由N 個一階低通濾波器的形式相乘構成：

式（15）中a1，a2，…an－1，an為實數(shù)。

而式（15）可以表示為：

所以，圖5和圖3的N階系統(tǒng)等價。

圖5的N階系統(tǒng)的相移恒定，相移值等于一階系統(tǒng)的N倍且值為－N·π／2，因此，圖3的N階系統(tǒng)也是相移恒定，系統(tǒng)的相移值是－N·π／2，其中當系統(tǒng)階數(shù)為4n時，通過系統(tǒng)的信號延遲相位為－2πn，經(jīng)過處理后最終可以使周期信號經(jīng)過系統(tǒng)時的相移為零。注意：N個比例積分控制器可以互不相同，即各個比例積分模塊的參數(shù)可以互不一樣，但需滿足低通濾波器極點值與比例積分控制器的積分時間常數(shù)Ti的關系為Tin＝1／Wn（W1是截止頻率，n＝1，2，…，N）。

3.2 仿真

為驗證前面的論述，利用MALAB軟件對一階系統(tǒng)和四階系統(tǒng)仿真分析，以此證明該電路的可行性。取一階低通濾波器的截止頻率wH＝1 000rad／s，一個比例積分控制器的Kp＝0.1，Ti＝0.001。

通過仿真對比可以得出：圖6的一階低通濾波器和圖7的一個比例積分控制器的相位響應的曲線互為鏡像，圖8中系統(tǒng)相移的值在頻率W∈（0，＋∞）為－π／2，由于計算存在四舍五入，誤差在0.1°～0.2°。運用一階低通濾波器和一個比例積分控制器級聯(lián)的系統(tǒng)達到理論計算的值。

N階系統(tǒng)的仿真取N＝4驗證理論的一般適用性。一方面，四階系統(tǒng)結構不太復雜，需要計算的值較少，誤差相對就小；另一方面，四階系統(tǒng)的相移為－2π，對于周期信號可以實現(xiàn)零相移。取四階低通濾波器的截止頻率wH（或者W1）＝1 000rad／s，其他 極 點 的 值 為 W2＝ 10 000rad／s，W3＝100 000rad／s，W4＝1 000 000rad／s，所以，相對應的四個比例積分控制器的積分時間常數(shù)為Ti1＝0.001，Ti2＝0.000 1，Ti3＝ 0.000 01，Ti4＝0.000 001，Kp1＝Kp2＝Kp3＝Kp4＝0.1。這樣取值的目的是減小誤差，方便觀察。

圖6 一階低通濾波器的相位響應Fig.6 Phase response of first－order low－pass filter

圖7 一個比例積分控制器的相位響應Fig.7 Phase response of PI controller

圖8 一階系統(tǒng)的相位響應Fig.8 Phase response of first－order system

四階低通濾波器和四個比例積分控制器級聯(lián)的相位響應如圖9和圖10，圖11為四階系統(tǒng)的相位響應，得到的相移值在W∈（0，＋ ∞）為－2π，所以利用四階低通濾波器和四個比例積分控制器級聯(lián)得到的系統(tǒng)達到理論計算的值。

圖9 四階低通濾波器的相位響應Fig.9 Phase response of four－order low－pass filer

圖10 四個比例積分控制器的相位響應Fig.10 Phase fesponse of four PI controllers

圖11 四階系統(tǒng)的相位響應Fig.11 Phase response of four－order system

4 結論

本文提出了基于比例積分控制器的恒定相移低通濾波電路。該電路利用低通濾波器與比例積分控制器級聯(lián)，設置低通濾波器的極點值等于比例積分控制器積分時間常數(shù)的倒數(shù)，且低通濾波器的階數(shù)與比例積分控制器的個數(shù)相同，從而使信號經(jīng)過濾波器與比例積分控制器的相位偏移的和為恒定值。理論分析與仿真表明，與全通濾波器和零相移濾波器實現(xiàn)線性相移或恒定相移相比，本文提出的電路計算簡單，誤差較小，并且容易實現(xiàn)。

［1］曾學剛.有源濾波器的非線性交調失真［J］.電子學報，1996，1（1）：116－118.ZENG Xuegang.Nonlinear intermodulation distortion in active filter［J］.Acta Electronica Sinica，1996，1（1）：116－118.

［2］許景波，袁怡寶，樸偉英，等.表面粗糙度測量中的高斯濾波快速算法［J］.計量學報.2005，26（4）：309－312.XU Jingbo，YUAN Yibao，PIAO Weiying，et al.A fast gaussian filtering algorithm for surface roughness measurements［J］.Acta Metrlogic Sinica，2005，26（4）：309－312.

［3］Howard S D，Calder bank A R.A simple signal processing architecture for instantaneous radar polarimetry［J］.IEEE Trans.on information Theory，2007，53（4）：1282－1289.

［4］Mao X P，Liu Y T.Null phase－shift polarization filtering for high－frequency radar［J］.IEEE Trans.on Aerospace Electronic System，2007，3（4）：1397－1407.

［5］Simson MB.Use of signals in the terminal QRS complex to identify patients with ventricular tachycardia after myocardia infraction［J］.Circulation，1981，64：235.

［6］王學偉，高朝，張旭明.高準確度、寬頻帶90°數(shù)字相移網(wǎng)絡的設計［J］.電測與儀表.2004，41（467）：36－38.WANG Xuewei，GAO Chao，ZHANG Xuming.The design of presicion 90digital phase－shift network in wide frequence scope［J］.Electrical Measurement ＆ Instrumentation.2004，41（467）：36－38.

［7］沈瑋彬，趙艷明.相位矯正濾波器設計［J］.中國科技信息，2010，19（41）：98－102.SHEN Weibin，ZHAO Yanming.The design of rectification phase Filter［J］.China Since And Technology Information，2010，19（41）：98－102.

［8］鄧娜，邵世煌，顧國祥.基于最優(yōu)Hankel范數(shù)近似的線性相位IIR濾波器設計［J］.控制理論與應用.2007，24（2）：200－204.DENG Na，SHAO Shihuang，GU Guoxiang.Design of linear phase IIR filters via optimal Hankel－norm［J］.Control Theory ＆ Application，2007，24（2）：200－204.

［9］紀躍波，秦樹人，湯寶平.零相位數(shù)字濾波器［J］.重慶大學學報（自然科學版），2000，23（6）：4－7.JI Yuebo，QIN Shuren，TANG Baoping.Digital filtering with zero phase error［J］.JournaI Of Chongging University（NaturaI Science Edition），2000，23（6）：4－7.

［10］華成英，童詩白.模擬電子技術［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［11］胡壽松.自動控制原理［M］.北京：科學出版社.2007.