ＶＨＤＬ－ＡＭＳ在控制系統分析與設計中的應用

摘 要：硬件描述語言VHDL在現代電子系統設計中應用廣泛，但VHDL只能用于設計數字系統。具有混合信號系統描述能力的硬件描述語言VHDL-AMS是目前電子設計技術的新發展，能實現數字系統和模擬系統設計方法的統一，目前仍處于研究階段。介紹VHDL-AMS的新特性，通過對PID控制原理進行數學分析，建立PID控制器的VHDL-AMS模型，并進行仿真分析。可以看出，應用VHDL-AMS使得控制系統的建模和仿真分析更加簡捷有效，因此具有良好的應用前景。

關鍵詞：硬件描述語言;混合信號系統;VHDL-AMS;PID

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1712002

Application of VHDL-AMS in Control System Analysis and Design

DONG Pusong

(Shaanxi Ruyi Electric Company，Xianyang，712099，China)

Abstract：Hareware description languge-VHDL is used widely in modern electronic system design，but it only used to describe digital electronic system.VHDL-AMS which includes analog and mixed signal extensions to IEEE standard VHDL is new progress of electionic system design，it can build mixed signal sytstem and still be in the process of research.PID controller is implemented based on VHDL-AMS by mathematical formula.Simulation result of PID controller is presented.Design and analysis of control systems are simplified by VHDL-AMS because of its capacity of modeling multi-disciplines systems.VHDL-AMS will be widely used in many areas.

Keywords：hardware description language;mixed signal system;VHDL-AMS;PID

1 引 言

EDA是現代電子系統設計的關鍵技術。硬件描述語言VHDL以其“代碼復用”(code re-use)遠高于傳統的原理圖輸入法等諸多優點，逐漸成為EDA技術中主要的輸入工具。然而，基于IEEE VHDL Std 1076-1993標準的VHDL只用于描述數字電路。因而從理論的完整性和方法的統一性方面來說，這無疑是一個缺點。為此，IEEE于1999年發布了IEEE VHDL Std 1076.1標準^［1］，擴展了VHDL對模擬電路及混合信號系統的描述和仿真能力。1076標準和1076.1標準所定義的硬件描述語言，稱為VHDL-AMS。

PID控制是最早發展起來的控制策略之一，其算法簡單、魯棒性好、適用性強，廣泛應用于過程控制和運動控制中，特別適用于可建立精確數學模型的確定性系統中。

本文介紹VHDL-AMS的新概念和新特性。通過對PID控制原理進行數學分析，建立PID控制器的數學模型，實現PID控制器的VHDL-AMS行為級建模，并進行仿真分析。

2 VHDL-AMS的新特性

集總參數連續時間系統的行為描述通常是用微分/代數方程組來進行描述，即：F(x，dx/dt，t)=0其中F是表達式的向量形式，x是未知變量的向量形式，dx/dt是未知變量的向量形式的導數(包括一階導數和高階導數)。在VHDL-AMS語言中新增的第一個概念是用于定義表示微分/代數方程組中的未知量的關鍵字量(Quantity)。量是浮點的標量類型，在VHDL-AMS中可以在任何可以用信號signal描述的地方出現。

VHDL-AMS中新增加的第二個概念是端點(terminal)，用于定義守恒系統端口的端點及內部的端點。端點可以在任何可以用信號signal描述的地方使用，而且端點還可以作為實體的接口允許在PORT語句中使用。

IEEE Std VHDL 1076.1補充了一類新語句，即用于描述連續系統行為的聯立語句。聯立語句的格式為：

［標號:］ 表達式＝＝表達式

聯立提供了表示微分/代數方程的方法，可以直接描述系統輸入、輸出間的關系或守恒系統中的支路方程。通過求解聯立語句中的微分/代數方程組，從而解出滿足方程組的量的解。

另外，在VHDL 1076的基礎上，VHDL-AMS新增了16種預定義屬性，可以分為四類：數據類型類、容差類、量類和信號類。這些新增的預定義屬性使得VHDL-AMS具有更為強大的行為描述能力。例如，預定義屬性LTF(num，den)/ZTF(num，den)用于建立模擬/離散量的Laplace/Z域傳遞函數，其中num、den分別為分子、分母多項式的系數。LTF/ZTF屬性對主要以傳遞函數為分析和設計的控制系統建模變得非常方便。

3 VHDL-AMS控制系統分析和設計的應用

在模擬控制系統中，控制器最常用的控制規律是PID控制。模擬PID控制系統原理框圖如圖1所示。系統由模擬PID控制器和被控對象組成。

圖1 模擬PID控制系統原理框圖PID控制器主要由三部分組成：比例環節，積分環節和微分環節。其中比例環節反映控制系統的偏差信號e(t)，偏差一量產生，控制器立即產生控制作用，以減少偏差；積分環節主要用于消除靜態誤差，提高系統的無差度；微分環節反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號變得太大之前，在系統中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統的動作速度，減少調節時間。

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