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      PID算法的FPGA實(shí)現(xiàn)

      2014年09月03日 08:49:54人氣:3487來(lái)源:廣州迪川儀器儀表有限公司

      1.引言

       

      在許多現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)如冶金、電力等,實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精度控制至關(guān)重要的,不僅直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量,而且還關(guān)系到生產(chǎn)安全、能源節(jié)約等一系列重大經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

       

      PID控制由于其魯棒性好,可靠性高,在常規(guī)的溫度控制中應(yīng)用非常廣泛。目前工程的實(shí)際應(yīng)用中,大多數(shù)模糊PID控制器都利用單片機(jī)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn),然而單片機(jī)的指令是按順序執(zhí)行的,實(shí)時(shí)性不強(qiáng),加上軟件實(shí)現(xiàn)容易受外界的干擾,抗干擾性能力差,對(duì)于實(shí)時(shí)性要求很高和外界干擾比較嚴(yán)重的系統(tǒng)不太適宜。本文選取FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)作為系統(tǒng)的主控制芯片,F(xiàn)PGA所有的信號(hào)都是時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的,對(duì)于程序的執(zhí)行具有并行運(yùn)算的能力,顯著的提高了系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性,在FPGA內(nèi)部硬件實(shí)現(xiàn)還可以防止像單片機(jī)程序一樣,在惡劣的環(huán)境條件下發(fā)生程序跑飛的問(wèn)題。尤其是現(xiàn)在FPGA器件有越來(lái)越多的參考設(shè)計(jì)方案以及IP(知識(shí)產(chǎn)權(quán))核心庫(kù)方面的支持。利用FPGA設(shè)計(jì)的PID控制器一方面可以將實(shí)現(xiàn)PID算法的模塊單獨(dú)作為控制模塊來(lái)使用,直接去實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的調(diào)節(jié),另一方面,基于FPGA的PID控制算法也可以將其作為系統(tǒng)內(nèi)的IP核,以便在多路或復(fù)雜的系統(tǒng)上直接調(diào)用,加快研發(fā)設(shè)計(jì)速度。

       

      2.PID算法分析

       

      2.1 離散PID算法

       

      PID控制系統(tǒng)是一個(gè)簡(jiǎn)單的閉環(huán)系統(tǒng),如圖1所示,PID系統(tǒng)框圖中,整個(gè)系統(tǒng)主要包括比較器、PID控制器和控制對(duì)象,其中PID包括三個(gè)環(huán)節(jié),即比例、積分和微分。

       

       

      圖1 PID系統(tǒng)框圖
      圖1 PID系統(tǒng)框圖

       

       

      圖1中的r(t)作為系統(tǒng)的給定值,y(t)作為系統(tǒng)的輸出值,e(t)是給定值與輸出值的偏差,所以系統(tǒng)的偏差可以求得:

       

      e(t)=r(t)-y(t) (1)

       

      u(t)作為控制系統(tǒng)中的中間便量,既是偏差e(t)通過(guò)PID控制算法處理后的輸出量,又是被控對(duì)象的輸入量,因此模擬PID控制器的控制規(guī)律為:

       

       

       

       

      其中,KP為模擬控制器的比例增益,TI為模擬控制器的積分時(shí)間常數(shù),TD為模擬控制器的微分時(shí)間常數(shù)。

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