基于SOPC的小生境免疫PID溫度控制器的設計

鮑克+沈笑慧+方源+賴海超

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2016.07.011

摘 要： 介紹了一種基于可編程片上系統（System-on-a-Programmable-Chip， SOPC）的智能溫度控制器的實現。利用SOPC技術和FPGA內部的NIOS II軟核處理器，實現對PID參數的智能整定、溫度的實時檢測和控制。與傳統的解決方案相比，基于SOPC的小生境免疫PID溫度控制器具有超調量小、調整時間短等優點，仿真實驗驗證了該方案的有效性。

關鍵詞： 小生境； 免疫算法； PID整定； SOPC

中圖分類號：TP18 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）07-38-03

Design of PID temperature controller with SOPC and niche immune algorithm

Bao Ke， Shen Xiaohui， Fang Yuan， Lai Haichao

（Zhejiang Provincial Testing Institute of Electronic information Products， Hangzhou， Zhejiang 310007， China）

Abstract： This paper introduces the implementation of an intelligent temperature controller based on SOPC （System-On-a

-Programmable-Chip）. The intelligent PID parameters tuning and the real-time temperature detection and control are realized by using SOPC technology and FPGA Nios II soft core processor. Compared with the traditional solutions， the SOPC based Niche Immune PID temperature controller has the advantages of small overshoot and short adjusting time. The simulation results have verified the effectiveness of the proposed method.

Key words： niche； immune algorithm； PID parameter tuning； SOPC

0 引言

在工業生產中，溫度是應用最為廣泛且最為重要的過程參數之一。由于溫度具有大慣性、大滯后的特性，在進行PID控制時很難通過人工方式獲取較優的PID參數[1]。通過遺傳算法、一般免疫算法等智能優化算法對PID參數進行優化時，也面臨著算法過早收斂、尋優能力不足等缺陷[2-3]。小生境免疫算法是將小生境機制引入到免疫算法基于抗體濃度的調節機制和多樣性保持策略中的智能參數優化算法。將該算法應用于PID參數整定，可獲取性能良好的PID參數。

在傳統解決方案中，大多采用以單片機為核心的溫度控制器[4-5]，但它們都很難解決小生境免疫算法實時整定PID參數所帶來的性能開銷問題[6]，而且單片機一旦確定芯片型號，其內部資源配置也隨之確定，無法進行后續的系統升級。本文提出一種基于SOPC的小生境免疫PID溫度控制器的設計思路和實現方法，在常規溫度傳感電路的基礎上，以小生境免疫算法實時計算當前環境下最優的PID參數進行PID控制，并通過PWM方式實現溫度調節。

1 系統硬件設計

本系統以FPGA為硬件核心。首先，由溫度傳感器采集溫度參數，經A/D轉換后送入FPGA中的NIOS II處理器，NIOS II處理器一方面將實際溫度參數通過UART串口模塊送至上位機，一方面根據溫度偏差值運算小生境免疫算法得出最優PID參數，并控制PWM模塊輸出控制信號。系統構架如圖1所示。

其中，On-Chip Memory作為程序的運行空間，Flash作為FPGA配置文件以及軟核文件的存儲空間。FPGA上電后將Flash存儲的程序加載到On-Chip Memory中運行，CFI控制器核由SOPC Builder自帶的IP核提供。采用SOPC Builder中提供的UART IP核作為與上位機通信的接口；采用第三方設計的PWM IP核用于對加熱元件的脈沖調制。

本設計選用瑞士Sensirion公司的數字傳感器芯片SHT11采集溫度信號，SHT11將溫度感測、濕度感測、信號變換、A/D轉化和存儲功能集成到一個芯片上，在芯片內自動進行A/D轉換，無需附加外部電路即可連接FPGA。SHT11采用兩線數字串行接口SCK和DATA，具體電路如圖2所示。

4 結論

本文將SOPC技術和小生境免疫算法運用于傳統的PID控制，提出了基于SOPC的小生境免疫算法溫度控制器的設計方法，解決了溫度控制中PID參數最優問題。通過小生境免疫算法的PID參數優化實驗，驗證了該算法下獲得的PID控制器性能較優。

參考文獻（References）：

[1] 文定都，曾紅兵，何玲.基于遺傳算法PID參數尋優的電加熱

爐溫度控制系統[J].電氣自動化，2008.30（4）： 6-8

[2] 王鮮芳，杜志勇，潘豐.基于混沌免疫遺傳算法整定PID參數[J].

計算機工程與應用，2010.46（13）：242-244

[3] 李猛，王琦，代冀陽.基于小生境混合遺傳算法的PID參數整

定[J].計算機仿真，2009.26（4）：233-236

[4] 王皖慧.基于改進免疫算法的電阻爐溫控系統的研究[D].浙

江理工大學，2012：1-6

[5] 方瑾孜，王蔚生.基于單片機的激光器精確溫度控制系統設

計[J].電氣自動化，2013.35（6）：82-83

[6] 劉洪杰，王秀峰，王治寶.改進的多模態遺傳算法及其在投資

組合中的應用[J].控制與決策，2003.18（2）：173-176