基于FPGA的参数自整定PID控制器设计

易金生

桂林理工大学，广西桂林 541004

基于FPGA的参数自整定PID控制器设计

易金生

桂林理工大学，广西桂林 541004

根据增量式PID控制器的工作原理，采用固定模糊控制规则，基于FPGA（现场可编程门阵列）进行了参数自整定PID控制器的设计，实现了对控制量的精确控制。经过仿真测试，控制器结构简单，性能可靠，控制效果良好。

.FPGA；参数自整定；增量PID

1 PID控制原理

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。众所周知，常规PID控制器作为一种线性控制器，其离散的控制规律[1]为：

公式（1）也称为位置式PID控制算法,控制量的计算与误差的全部历史值有关。当执行机构需要的不是控制量的绝对值时，常使用增量式PID控制算法[1]，其计算式为：

控制量增量的计算只与相邻三个周期的偏差值有关。

2 参数自整定原则

PID控制一个大型的现代化生产装置的控制回路可能多达一二百甚至更多，但PID参数复杂繁琐的整定过程一直困扰着工程技术人员，所以，研究PID参数整定技术就就具有了十分重大的工程实践意义。整定的好坏不但会影响到控制质量．而且还会影响到控制器的鲁棒性。此外，现代工业控制系统中存在着名目繁多的不确定性，这些不确定性能造成模型参数变化甚至模型结构突变，使得原整定参数无法保证系统继续良好的工作，这时就要求PID控制器具有在线修正参数的功能，这是自从使用PID控制以来人们始终关注的重要问题之一。

参数自整定PID 控制基本原理：以误差e和误差变化ec作为输入，运行中不断检测e和ec，满足不同时刻的和对PID 参数自整定的要求， 利用相应经验规则在线修改PID参数，以使被控对象具有良好的静态、动态性能。

基于这些原则，在大部分自整定应用中，为简化思路和复杂度，可采用固定模糊推理规则的方法实现参数自整定，便于设计和操作人员采用。同时，采用FPGA设计，也适用于各种不同采样速度和复杂系统的实际应用中。

3 参数自整定PID控制器设计

图1 参数自整定PID控制器原理图

3.1 偏差计算模块

图1中error模块是偏差计算模块。根据待控制量的测量值PIDin与输入的设定值PIDset计算当前的偏差值e（k），并记录前一个周期的偏差值e（k-1）和前两个周期的偏差值e（k-2）。ekflagout为偏差正负标志，用于控制执行器的増（up）和减（down）操作，若测量值大于设定值，则ekflagout=0；反之，则ekflagout=1。clk为采样时钟。控制器中部分输入输出信号采用8位二进制表示，可以适合大部分场合，也可适当放大或缩小。

3.2 Kp、Ki、Kd参数自整定模块

图1中KpKiKd模块是参数自整定模块。根据error模块输出的e（k）、e（k-1）和e（k-2），计算偏差变化率ec；按照参数自整定原则，由e（k）和ec在不同时刻的取值，在线修改PID参数，并输出。

3.3 PID控制算法模块

图1中PIDctrl模块是PID控制算法模块。其输入分别为error模块输出的e（k）、e（k-1）和 e（k-2），KpKiKd模块输出的Kp、Ki和Kd。根据公式（2），计算控制量的变化量 Δ u (k )，即模块中的输出pidout[15..0]。

3.4 PWM波形生成模块

图1中的PIDtoPWM模块是PWM波形生成模块。对输入基准时钟clk2进行分频，根据PIDctrl模块输出的pidout[15..0]在不同时刻的大小，设置 PWM波形的不同占空比，输出信号pwmout。

3.5 执行器控制模块

图1中两个2选1数据选择器的组合电路是执行器控制模块。当ekflag=0时，down端口输出pwm波形，up端口输出为0；反之，up端口输出pwm波形，down端口输出为0。

4 仿真

在ModelSim中，编写testbench测试代码后，将测试代码和测试模块导入新建工程中，全编译并开启仿真后，在wave窗口中观测各信号，验证参数自整定控制器的功能，普通PID控制器和参数自整定PID控制器仿真图分别如下所示：

1）为了确保工程质量，组织施工人员，进行全面质量管理意

图2 普通PID控制器ModelSim仿真图

图3 参数自整定PID控制器ModelSim仿真图

5 结论

对比观察图2和图3，在偏差e（k）大于6之前，图2和图3中的pidout大小差不多，保证了快速反应的性能；采用参数自整定后，在偏差较小时，图3中pidout的值比图2中要小，也就是pwmout的占空比比较小，使得控制量在设定值附近的变化就比较平稳了，这样既控制了超调量，也改善了动态性能；控制量增量最后可以达到0。

[1]刘金琨.先进PID.控制MATLAB.仿真[M].北京：电子工业出版社，2004：63-81.

[2]马占有，田俊忠，马泽玲.温度控制系统模糊自适应PID控制器仿真研究[J].计算机仿真，2010，27(10)：162-163.

[3]陈素霞，孙秋萍.应用模糊PID的恒温控制系统的设计[J].现代制造工程，2008(6)：83-85.

[4]潘松，黄继业.EDA技术实用教程[M].3版.北京：科学出版社，2006：225-261.

TH13.

A

.1674-6708（2011）52-0174-02