基于EDA的通用模糊-PID復(fù)合控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳靜，程國建，陳群英，徐艷

（1．西安培華學(xué)院中興電信學(xué)院，陜西西安，710125；2．中興通訊教育合作中心，陜西西安，710125）

基于EDA的通用模糊-PID復(fù)合控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳靜1，程國建1，陳群英1，徐艷2

（1．西安培華學(xué)院中興電信學(xué)院，陜西西安，710125；2．中興通訊教育合作中心，陜西西安，710125）

本文在Altera公司專用 EDA軟件 QuartusII 9.0平臺(tái)上設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了基于EDA的通用模糊-PID復(fù)合控制器，即基于FPGA實(shí)現(xiàn)了由ADC到模糊-PID復(fù)合控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。基于EDA的通用模糊-PID復(fù)合控制器不但具有數(shù)字傳輸?shù)目煽啃浴⒏咝缘葍?yōu)點(diǎn)，還具有硬件語言的實(shí)時(shí)性特點(diǎn)，并通過功能仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)原理的正確性和有效性。

EDA；ADC；模糊-PID復(fù)合控制器

0 引言

本文在Altera公司專用 EDA[1]軟件QuartusII 9.0平臺(tái)上采用自頂向下[2]的設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了基于EDA的通用模糊-PID復(fù)合控制器，Altera公司專用 EDA軟件 QuartusII 9.0支持原理圖與 VHDL語言混合輸入設(shè)計(jì)方式。首先，模糊-PID復(fù)合控制器和ADC采用VHDL文本編輯方式；其次，整體系統(tǒng)框圖采用原理圖輸入設(shè)計(jì)方式。基于EDA的通用模糊-PID復(fù)合控制器不但具有數(shù)字傳輸?shù)目煽啃浴⒏咝缘葍?yōu)點(diǎn)，還具有硬件語言的實(shí)時(shí)性特點(diǎn)，并通過功能仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)原理的正確性和有效性。整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 整體系統(tǒng)框圖

先通過WM8731將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，再將數(shù)字信號(hào)送入模糊-PID復(fù)合控制器進(jìn)行控制輸出。

1 模糊-PID復(fù)合控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文在Altera公司專用 EDA軟件 QuartusII 9.0平臺(tái)上設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了基于EDA的通用模糊-PID復(fù)合控制器，模糊-PID復(fù)合控制器和ADC采用VHDL文本編輯方式，整體系統(tǒng)框圖采用原理圖輸入設(shè)計(jì)方式。

1.1 模糊-PID復(fù)合控制器的原理

模糊-PID復(fù)合控制器[3]的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖2 模糊-PID復(fù)合控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

模糊-PID復(fù)合控制器的控制原理：當(dāng)偏差小于某閾值時(shí)，采用PID控制控制；當(dāng)偏差大于某一閾值時(shí)，采用模糊控制[4]。二者的轉(zhuǎn)換由軟件根據(jù)事先給定的控制方式選擇模塊自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。模糊-PID控制在運(yùn)行中通過不斷地檢測誤差和誤差變化率，根據(jù)控制原理來選擇控制方式，從而使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜性能。

1.2 模糊-PID復(fù)合控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

模糊-PID復(fù)合控制器由控制方式選擇模塊控制,其根據(jù)偏差信號(hào)的大小決定采用的控制方式，當(dāng)偏差信號(hào)小于閾值則采用PID控制，當(dāng)偏差信號(hào)大于給定閾值時(shí)采用模糊控制。依據(jù)控制原理給出完整的VHDL描述。在QuartusII 9.0環(huán)境中對(duì)其FPGA系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)、編譯和仿真，仿真結(jié)果圖已省略，詳見總圖。結(jié)果表明：誤差e 取值25、30、82、13、6，它們分別與值為20的yuzhi作比較，根據(jù)模糊-PID復(fù)合控制器的控制原理，即當(dāng)偏差小于某閾值時(shí)，采用PID控制；當(dāng)偏差大于某一閾值時(shí)，采用模糊控制，得到輸出56和10，仿真結(jié)果表明可以很好地實(shí)現(xiàn)PID控制和模糊控制的轉(zhuǎn)換。

2 WM8731的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 WM8731芯片介紹

WM8731的數(shù)字音頻接口是數(shù)據(jù)的輸入輸出接口，串行數(shù)據(jù)的傳輸支持I2S模式， Right justified 模式，Left justified 模式，DSP 模式，這些模式通過控制字選擇。設(shè)計(jì)中選擇Left justified 模式并且讓W(xué)M8731工作在常規(guī)模式下，時(shí)序如圖4所示。

圖3 WM8731工作在常規(guī)模式下的時(shí)序

其中:

BCLK: 數(shù)字音頻接口時(shí)鐘信號(hào)（bit時(shí)鐘）；

ADCLRC: 數(shù)字音頻接口ADC方向的幀信號(hào)；

ADCDATA:數(shù)字音頻接口ADC方向的數(shù)據(jù)輸出。

2.2 WM8731單元硬件電路設(shè)計(jì)

依據(jù)WM8731工作在常規(guī)模式下的時(shí)序給出完整VHDL描述。在QuartusII 9.0環(huán)境中對(duì)WM8731單元硬件電路設(shè)計(jì)進(jìn)行編譯和仿真，仿真結(jié)果圖已省略，詳見總圖。結(jié)果表明：當(dāng)BCLK高電平時(shí)，ADCDATA輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)-81、-51、-30、53、-26、-40和76。仿真結(jié)果表明可以很好地實(shí)現(xiàn)ADC控制轉(zhuǎn)換輸出。

3 通用模糊-PID復(fù)合控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

整個(gè)通用模糊-PID復(fù)合控制器設(shè)計(jì)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法和模塊化的設(shè)計(jì)思想,即先由VHDL語言輸入設(shè)計(jì)方式分別實(shí)現(xiàn)模糊-PID復(fù)合控制器WM8731變換，再采用原理圖輸入設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)基于EDA的通用模糊-PID復(fù)合控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。整體系統(tǒng)綜合結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。整體系統(tǒng)功能仿真波形圖如圖7所示。

在QuartusII 9.0環(huán)境中對(duì)整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行編譯和仿真，仿真結(jié)果圖如圖7所示。結(jié)果表明：先通過WM8731進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在BCLK上升沿時(shí)輸出轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)ADCDATA，并將信號(hào)ADCDATA作為誤差e送入模糊-PID復(fù)合控制器進(jìn)行控制輸出，由仿真圖可以看出誤差A(yù)DCLRC取值69、83、60、6、1和13，yuzhi為20，根據(jù)模糊-PID復(fù)合控制器的控制原理，即當(dāng)偏差小于某閾值時(shí)，采用PID控制；當(dāng)偏差大于某一閾值時(shí)，采用模糊控制，并且在CLK上升沿時(shí)輸出44和-7，仿真結(jié)果表明可以很好地實(shí)現(xiàn)通用模糊-PID復(fù)合控制器的轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)束語

Altera公司專用 EDA軟件 QuartusII 9.0支持原理圖與HDL語言輸入設(shè)計(jì)方式, 通用模糊-PID復(fù)合控制器采用原理圖與 VHDL語言混合輸入輸入設(shè)計(jì)方式，基于EDA的通用模糊-PID復(fù)合控制器不但具有數(shù)字傳輸?shù)目煽啃浴⒏咝缘葍?yōu)點(diǎn)，還具有硬件語言的實(shí)時(shí)性特點(diǎn)，并通過功能仿真驗(yàn)證了設(shè)計(jì)原理的正確性和有效性。

[1]葉雪榮,陳岑,王一行,翟國富.基于EDA的開關(guān)電源健康狀態(tài)評(píng)估方法研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2015,01:185-191.

[2] EDA技術(shù)實(shí)用教程（第二版）.潘松,黃繼業(yè)[M].科學(xué)出版社,2005.

[3] 蘭文奎,李仕生.半車主動(dòng)懸架系統(tǒng)模糊PID控制器設(shè)計(jì)及仿真[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015,02:148-151.

[4] Marek J, Patyra , Janos L, Grantner. Hardware implementations of digital fuzzy logic controllers[J]. Information Sciences ,1999(113) :19-54.

Designed and Implemented of General Fuzzy-PID Compound Controller Based on EDA

Wu Jing1,Cheng Guojian1,Chen Qunying1,Xu Yan2
(1.School of Zhongxing Telecommunication, Xi’an Peihua University, Xi’an Shaanxi,710125 ;2. ZTE education and cooperation center, Xi’an Shaanxi, 710125）

In this paper, a general fuzzy-PID compound controller based on EDA is designed and implemented based on the QuartusII 9.0platform of EDA, that is, a ADC and fuzzy-PID compound controller based on FPGA are designed and implemented. The general fuzzy-PID compound controller based on EDA not only has the advantages of reliability and efficiency of digital transmission, but also has the real time characteristic of hardware language. And the correctness and validity of the design are verified by function simulations.

EDA;ADC; fuzzy-PID compound controller

圖4 整體系統(tǒng)綜合結(jié)構(gòu)圖

圖5 整體系統(tǒng)功能仿真波形圖

西安培華學(xué)院校級(jí)科研課題項(xiàng)目（PHKT16092）