基于FPGA的參數自整定PID控制器設計

易金生

桂林理工大學，廣西桂林 541004

基于FPGA的參數自整定PID控制器設計

易金生

桂林理工大學，廣西桂林 541004

根據增量式PID控制器的工作原理，采用固定模糊控制規則，基于FPGA（現場可編程門陣列）進行了參數自整定PID控制器的設計，實現了對控制量的精確控制。經過仿真測試，控制器結構簡單，性能可靠，控制效果良好。

.FPGA；參數自整定；增量PID

1 PID控制原理

PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。眾所周知，常規PID控制器作為一種線性控制器，其離散的控制規律[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。當執行機構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。

2 參數自整定原則

PID控制一個大型的現代化生產裝置的控制回路可能多達一二百甚至更多，但PID參數復雜繁瑣的整定過程一直困擾著工程技術人員，所以，研究PID參數整定技術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量．而且還會影響到控制器的魯棒性。此外，現代工業控制系統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變化甚至模型結構突變，使得原整定參數無法保證系統繼續良好的工作，這時就要求PID控制器具有在線修正參數的功能，這是自從使用PID控制以來人們始終關注的重要問題之一。

參數自整定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 參數自整定的要求， 利用相應經驗規則在線修改PID參數，以使被控對象具有良好的靜態、動態性能。

基于這些原則，在大部分自整定應用中，為簡化思路和復雜度，可采用固定模糊推理規則的方法實現參數自整定，便于設計和操作人員采用。同時，采用FPGA設計，也適用于各種不同采樣速度和復雜系統的實際應用中。

3 參數自整定PID控制器設計

圖1 參數自整定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。根據待控制量的測量值PIDin與輸入的設定值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，用于控制執行器的増（up）和減（down）操作，若測量值大于設定值，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參數自整定模塊

圖1中KpKiKd模塊是參數自整定模塊。根據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，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PIDctrl模塊輸出的pidout[15..0]在不同時刻的大小，設置 PWM波形的不同占空比，輸出信號pwmout。

3.5 執行器控制模塊

圖1中兩個2選1數據選擇器的組合電路是執行器控制模塊。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，驗證參數自整定控制器的功能，普通PID控制器和參數自整定PID控制器仿真圖分別如下所示：

1）為了確保工程質量，組織施工人員，進行全面質量管理意

圖2 普通PID控制器ModelSim仿真圖

圖3 參數自整定PID控制器ModelSim仿真圖

5 結論

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，保證了快速反應的性能；采用參數自整定后，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，使得控制量在設定值附近的變化就比較平穩了，這樣既控制了超調量，也改善了動態性能；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：電子工業出版社，2004：63-81.

[2]馬占有，田俊忠，馬澤玲.溫度控制系統模糊自適應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.應用模糊PID的恒溫控制系統的設計[J].現代制造工程，2008(6)：83-85.

[4]潘松，黃繼業.EDA技術實用教程[M].3版.北京：科學出版社，2006：225-261.

TH13.

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.1674-6708（2011）52-0174-02