1.引(yǐn)言

在許多(duo)現代化的(de)工業生産(chǎn)如冶金、電(dian)力等，實現(xian)對溫度的(de)精度🔴控制(zhì)至關重要(yào)的，不僅直(zhi)接影響着(zhe)産品的質(zhì)量，而且還(hái)關系到生(shēng)産安全、能(neng)源節約等(deng)一🤟系列重(zhong)♻️大經濟指(zhǐ)标。

PID控制由(yóu)于其魯棒(bang)性好，可靠(kào)性高，在常(cháng)規的溫度(dù)控制中💛應(ying)用非常廣(guang)泛。目前工(gōng)程的實際(jì)應用中，大(dà)多數模糊(hu)PID控制器都(dōu)利用單片(piàn)機軟件編(bian)程來實現(xian)，然而單片(piàn)機的指🥵令(lìng)是按順序(xu)執行的，實(shi)時性不強(qiang)，加‼️上軟件(jiàn)實現容易(yi)受外界的(de)幹擾，抗幹(gàn)擾性能力(li)差，對于實(shí)時性要求(qiú)很高和✍️外(wài)界幹擾比(bǐ)較嚴重的(de)系統不太(tài)适宜。本🔆文(wén)選取FPGA(現場(chǎng)可編程門(mén)陣列)作爲(wèi)系統的主(zhu)控制芯片(piàn)🏃‍♀️，FPGA所有的信(xìn)号都是時(shí)鍾驅動的(de)，對于程序(xu)的執行具(ju)有并行運(yun)算的能力(li)，顯著的提(tí)高了系統(tǒng)控制的實(shí)時性，在FPGA内(nei)部硬件實(shí)現還可以(yǐ)防止像單(dan)片機程序(xù)🌈一樣，在惡(e)劣的環境(jìng)條🐇件下發(fa)生程序跑(pao)飛的問題(tí)。尤其是現(xian)在FPGA器件有(yǒu)越來越多(duo)的參考設(she)計方案以(yǐ)及IP(知識🙇🏻産(chan)權)核心庫(kù)方面的支(zhī)持。利用FPGA設(she)計🔅的PID控制(zhì)器一方面(miàn)可以将實(shí)現PID算法的(de)模🍉塊單獨(dú)作爲控制(zhì)模🌐塊來使(shǐ)用，直接去(qu)實現對控(kong)制對象的(de)調節，另一(yī)方面，基于(yú)FPGA的PID控制算(suàn)法也可以(yi)将其作爲(wei)系統内的(de)IP核，以便在(zai)多路或複(fú)雜㊙️的系統(tong)上直接調(diào)用，加快研(yán)發設計速(sù)度。

2.PID算法分(fen)析

2.1 離散PID算(suan)法

PID控制系(xi)統是一個(ge)簡單的閉(bi)環系統，如(rú)圖1所示，PID系(xì)統框圖🐉中(zhōng)，整個系統(tong)主要包括(kuò)比較器、PID控(kòng)制器和控(kòng)制對象✌️，其(qi)中PID包括三(sān)個環節，即(jí)比例、積分(fen)和微分。

圖1 PID系統框(kuang)圖

圖1中的(de)r(t)作爲系統(tǒng)的給定值(zhi)，y(t)作爲系統(tǒng)的輸出值(zhí)，e(t)是給定值(zhí)與輸🈲出值(zhí)的偏差，所(suǒ)以系統的(de)偏差可以(yi)求得：

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

u(t)作爲(wei)控制系統(tong)中的中間(jian)便量，既是(shì)偏差e(t)通過(guo)PID控制算法(fǎ)處理後的(de)輸出量，又(you)是被控對(duì)象的輸入(rù)量，因此模(mó)拟PID控制器(qì)的控制規(guī)律爲：

其中(zhōng)，K_P 爲模拟控(kòng)制器的比(bǐ)例增益，T_I 爲(wèi)模拟控制(zhì)器的積分(fèn)時間常數(shu)，T_D 爲模拟控(kòng)制器的微(wei)分時間常(chang)數。