基于FPGA的參數(shù)自整定PID控制器設(shè)計

易金生

桂林理工大學(xué)，廣西桂林 541004

基于FPGA的參數(shù)自整定PID控制器設(shè)計

易金生

桂林理工大學(xué)，廣西桂林 541004

根據(jù)增量式PID控制器的工作原理，采用固定模糊控制規(guī)則，基于FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）進行了參數(shù)自整定PID控制器的設(shè)計，實現(xiàn)了對控制量的精確控制。經(jīng)過仿真測試，控制器結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，控制效果良好。

.FPGA；參數(shù)自整定；增量PID

1 PID控制原理

PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。眾所周知，常規(guī)PID控制器作為一種線性控制器，其離散的控制規(guī)律[1]為：

公式（1）也稱為位置式PID控制算法,控制量的計算與誤差的全部歷史值有關(guān)。當執(zhí)行機構(gòu)需要的不是控制量的絕對值時，常使用增量式PID控制算法[1]，其計算式為：

控制量增量的計算只與相鄰三個周期的偏差值有關(guān)。

2 參數(shù)自整定原則

PID控制一個大型的現(xiàn)代化生產(chǎn)裝置的控制回路可能多達一二百甚至更多，但PID參數(shù)復(fù)雜繁瑣的整定過程一直困擾著工程技術(shù)人員，所以，研究PID參數(shù)整定技術(shù)就就具有了十分重大的工程實踐意義。整定的好壞不但會影響到控制質(zhì)量．而且還會影響到控制器的魯棒性。此外，現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)中存在著名目繁多的不確定性，這些不確定性能造成模型參數(shù)變化甚至模型結(jié)構(gòu)突變，使得原整定參數(shù)無法保證系統(tǒng)繼續(xù)良好的工作，這時就要求PID控制器具有在線修正參數(shù)的功能，這是自從使用PID控制以來人們始終關(guān)注的重要問題之一。

參數(shù)自整定PID 控制基本原理：以誤差e和誤差變化ec作為輸入，運行中不斷檢測e和ec，滿足不同時刻的和對PID 參數(shù)自整定的要求， 利用相應(yīng)經(jīng)驗規(guī)則在線修改PID參數(shù)，以使被控對象具有良好的靜態(tài)、動態(tài)性能。

基于這些原則，在大部分自整定應(yīng)用中，為簡化思路和復(fù)雜度，可采用固定模糊推理規(guī)則的方法實現(xiàn)參數(shù)自整定，便于設(shè)計和操作人員采用。同時，采用FPGA設(shè)計，也適用于各種不同采樣速度和復(fù)雜系統(tǒng)的實際應(yīng)用中。

3 參數(shù)自整定PID控制器設(shè)計

圖1 參數(shù)自整定PID控制器原理圖

3.1 偏差計算模塊

圖1中error模塊是偏差計算模塊。根據(jù)待控制量的測量值PIDin與輸入的設(shè)定值PIDset計算當前的偏差值e（k），并記錄前一個周期的偏差值e（k-1）和前兩個周期的偏差值e（k-2）。ekflagout為偏差正負標志，用于控制執(zhí)行器的増（up）和減（down）操作，若測量值大于設(shè)定值，則ekflagout=0；反之，則ekflagout=1。clk為采樣時鐘。控制器中部分輸入輸出信號采用8位二進制表示，可以適合大部分場合，也可適當放大或縮小。

3.2 Kp、Ki、Kd參數(shù)自整定模塊

圖1中KpKiKd模塊是參數(shù)自整定模塊。根據(jù)error模塊輸出的e（k）、e（k-1）和e（k-2），計算偏差變化率ec；按照參數(shù)自整定原則，由e（k）和ec在不同時刻的取值，在線修改PID參數(shù)，并輸出。

3.3 PID控制算法模塊

圖1中PIDctrl模塊是PID控制算法模塊。其輸入分別為error模塊輸出的e（k）、e（k-1）和 e（k-2），KpKiKd模塊輸出的Kp、Ki和Kd。根據(jù)公式（2），計算控制量的變化量 Δ u (k )，即模塊中的輸出pidout[15..0]。

3.4 PWM波形生成模塊

圖1中的PIDtoPWM模塊是PWM波形生成模塊。對輸入基準時鐘clk2進行分頻，根據(jù)PIDctrl模塊輸出的pidout[15..0]在不同時刻的大小，設(shè)置 PWM波形的不同占空比，輸出信號pwmout。

3.5 執(zhí)行器控制模塊

圖1中兩個2選1數(shù)據(jù)選擇器的組合電路是執(zhí)行器控制模塊。當ekflag=0時，down端口輸出pwm波形，up端口輸出為0；反之，up端口輸出pwm波形，down端口輸出為0。

4 仿真

在ModelSim中，編寫testbench測試代碼后，將測試代碼和測試模塊導(dǎo)入新建工程中，全編譯并開啟仿真后，在wave窗口中觀測各信號，驗證參數(shù)自整定控制器的功能，普通PID控制器和參數(shù)自整定PID控制器仿真圖分別如下所示：

1）為了確保工程質(zhì)量，組織施工人員，進行全面質(zhì)量管理意

圖2 普通PID控制器ModelSim仿真圖

圖3 參數(shù)自整定PID控制器ModelSim仿真圖

5 結(jié)論

對比觀察圖2和圖3，在偏差e（k）大于6之前，圖2和圖3中的pidout大小差不多，保證了快速反應(yīng)的性能；采用參數(shù)自整定后，在偏差較小時，圖3中pidout的值比圖2中要小，也就是pwmout的占空比比較小，使得控制量在設(shè)定值附近的變化就比較平穩(wěn)了，這樣既控制了超調(diào)量，也改善了動態(tài)性能；控制量增量最后可以達到0。

[1]劉金琨.先進PID.控制MATLAB.仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004：63-81.

[2]馬占有，田俊忠，馬澤玲.溫度控制系統(tǒng)模糊自適應(yīng)PID控制器仿真研究[J].計算機仿真，2010，27(10)：162-163.

[3]陳素霞，孫秋萍.應(yīng)用模糊PID的恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].現(xiàn)代制造工程，2008(6)：83-85.

[4]潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)實用教程[M].3版.北京：科學(xué)出版社，2006：225-261.

TH13.

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