1.引言

在(zài)許多現代化(hua)的工業生産(chan)如冶金、電力(lì)等，實現對溫(wēn)度的精度控(kong)制至關重要(yào)的，不僅直接(jiē)影響着産品(pin)的質量，而且(qiě)還關系到生(shēng)産安全、能源(yuan)節約等一系(xi)列重大經濟(ji)指标。

PID控制由(yóu)于其魯棒性(xing)好，可靠性高(gāo)，在常規的溫(wen)度控制中應(yīng)用非常廣泛(fàn)。目前工程的(de)實際應用中(zhōng)，大多數模糊(hu)PID控制器都利(lì)🔱用單片機軟(ruan)件編程來實(shi)現，然而單片(piàn)機的指🧑🏾‍🤝‍🧑🏼令是(shi)按順序執行(hang)的，實時性不(bu)強，加上軟件(jiàn)實現容易受(shou)外界的幹擾(rao)，抗幹擾性能(neng)力差，對于實(shi)時性要求很(hen)高和外界幹(gan)擾比🛀較嚴重(zhòng)的系💜統不太(tai)适宜。本文選(xuan)取FPGA(現場可編(biān)程門陣列)作(zuo)爲系統的主(zhu)控制芯片，FPGA所(suo)有的☀️信号都(dou)是🤟時鍾驅動(dong)的，對于🥰程序(xu)的執行具有(you)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼并行運算的(de)能力，顯著的(de)提高了系統(tong)控制的實時(shi)性，在FPGA内部硬(yìng)件實現還可(ke)以防🏃‍♂️止像單(dān)片機程序一(yī)樣，在惡劣的(de)環境條件下(xià)發生程序跑(pao)飛的問題。尤(you)其是現在FPGA器(qi)件有越來越(yue)多的參考設(shè)計方案以及(jí)IP(知識産權)核(he)心庫方面的(de)支持。利用FPGA設(shè)計的PID控制器(qi)一方面可以(yǐ)将實🈲現PID算法(fa)的模塊單獨(du)作爲控♉制模(mó)塊來使用，直(zhí)接去實現對(duì)控制🛀🏻對象的(de)調節，另一方(fāng)面，基于FPGA的㊙️PID控(kòng)制算法也可(ke)以将其作爲(wei)系統内的IP核(he)，以便在多路(lu)或複雜的系(xì)統上直接調(diào)用，加快研發(fā)設計💛速度。

2.PID算(suan)法分析

2.1 離散(san)PID算法

PID控制系(xì)統是一個簡(jiǎn)單的閉環系(xi)統，如圖1所示(shì)，PID系統框🍉圖中(zhong)，整個系統主(zhu)要包括比較(jiào)器、PID控制器和(hé)控制對象，其(qi)中PID包括三個(gè)環節⛱️，即比例(li)、積分和微分(fen)。

圖1 PID系統框圖(tú)

圖1中的r(t)作爲(wèi)系統的給定(ding)值，y(t)作爲系統(tǒng)的輸出值，e(t)是(shi)給定值與輸(shu)出值的偏差(chà)，所以系統的(de)偏差可以求(qiú)得：

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

u(t)作爲控制(zhì)系統中的中(zhong)間便量，既是(shi)偏差e(t)通過PID控(kòng)制算法處理(lǐ)後的輸出量(liang)，又是被控對(dui)象的輸入量(liàng)，因此模拟PID控(kòng)制器💁的控制(zhì)規律爲：

其中(zhong)，K_P 爲模拟控制(zhi)器的比例增(zēng)益，T_I 爲模拟控(kong)制器的積分(fèn)時間常數，T_D 爲(wei)模拟控制器(qi)的微分時間(jiān)常數。