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PID算法的FPGA實現
  • 發布日期:2014-09-03      瀏覽次數:3467
    • 1.引言

       

      在許多現代化的工業生產如冶金、電力等,實現對溫度的精度控制至關重要的,不僅直接影響著產品的質量,而且還關系到生產安全、能源節約等一系列重大經濟指標。

       

      PID控制由于其魯棒性好,可靠性高,在常規的溫度控制中應用非常廣泛。目前工程的實際應用中,大多數模糊PID控制器都利用單片機軟件編程來實現,然而單片機的指令是按順序執行的,實時性不強,加上軟件實現容易受外界的干擾,抗干擾性能力差,對于實時性要求很高和外界干擾比較嚴重的系統不太適宜。本文選取FPGA(現場可編程門陣列)作為系統的主控制芯片,FPGA所有的信號都是時鐘驅動的,對于程序的執行具有并行運算的能力,顯著的提高了系統控制的實時性,在FPGA內部硬件實現還可以防止像單片機程序一樣,在惡劣的環境條件下發生程序跑飛的問題。尤其是現在FPGA器件有越來越多的參考設計方案以及IP(知識產權)核心庫方面的支持。利用FPGA設計的PID控制器一方面可以將實現PID算法的模塊單獨作為控制模塊來使用,直接去實現對控制對象的調節,另一方面,基于FPGA的PID控制算法也可以將其作為系統內的IP核,以便在多路或復雜的系統上直接調用,加快研發設計速度。

       

      2.PID算法分析

       

      2.1 離散PID算法

       

      PID控制系統是一個簡單的閉環系統,如圖1所示,PID系統框圖中,整個系統主要包括比較器、PID控制器和控制對象,其中PID包括三個環節,即比例、積分和微分。

       

       

      圖1 PID系統框圖
      圖1 PID系統框圖

       

       

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

       

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

       

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

       

       

       

       

      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間常數,TD為模擬控制器的微分時間常數。

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