1.引(yin)言

在許多(duō)現代化的(de)工業生産(chan)如冶金、電(dian)力等，實現(xiàn)對溫度的(de)精度控制(zhì)至關重要(yao)的，不僅直(zhí)接影響着(zhe)産品的質(zhi)量‼️，而且還(hai)關系到生(sheng)産安全、能(néng)源節約等(deng)一系列重(zhòng)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(du)控制中應(ying)用非㊙️常廣(guang)泛。目前工(gong)程的實際(ji)應用中，大(dà)多數模糊(hú)PID控制器🌐都(dōu)利用單片(pian)機軟件編(biān)程來實現(xiàn)，然而單片(piàn)機的指🌈令(ling)是按順序(xu)執行的，實(shí)時性不強(qiáng)，加上軟件(jiàn)實現容易(yì)受外界的(de)幹擾，抗幹(gan)擾性能力(lì)差，對于實(shi)時性要求(qiu)很高和外(wai)界幹擾比(bǐ)較嚴重的(de)系統不太(tai)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(zhǔ)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(xù)的執行具(jù)有并行運(yun)算的能力(li)，顯著的提(tí)高♻️了系統(tong)控制的實(shí)時性，在FPGA内(nèi)部硬件實(shí)現還可以(yi)防止像單(dan)片機程序(xu)一樣，在惡(è)劣的環境(jing)條件下發(fā)生程序跑(pao)飛的問題(ti)。尤其是現(xian)在FPGA器件有(yǒu)越來越多(duō)的參考設(shè)計方案以(yǐ)及IP(知識産(chǎn)權)核心庫(ku)方面的支(zhi)持。利用FPGA設(shè)計🚩的PID控制(zhì)器一方面(miàn)可以将實(shi)現PID算法的(de)模塊單獨(du)作爲控制(zhi)模塊來使(shǐ)用，直接去(qù)實現對控(kong)制🈲對象的(de)調節，另一(yi)方面，基于(yú)FPGA的PID控制算(suan)法也可以(yi)将㊙️其作爲(wei)系統内的(de)IP核，以便在(zài)多路或複(fu)雜的系統(tǒng)上❓直接調(diào)用，加快研(yan)發設計速(sù)度。

2.PID算法分(fen)析

2.1 離散PID算(suàn)法

PID控制系(xi)統是一個(gè)簡單的閉(bi)環系統，如(ru)圖1所示，PID系(xì)統🔞框圖中(zhong)，整個系統(tǒng)主要包括(kuò)比較器、PID控(kong)制器和控(kong)制對象，其(qi)中PID包括三(san)個環節，即(jí)比例、積分(fen)和微分。

圖1 PID系統框(kuàng)圖

圖1中的(de)r(t)作爲系統(tong)的給定值(zhí)，y(t)作爲系統(tǒng)的輸出值(zhi)，e(t)是🛀給定🎯值(zhi)與輸出值(zhi)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(tǒng)中的中間(jiān)便量，既是(shi)偏差e(t)通過(guo)PID控制算法(fa)處理🚩後的(de)輸出量，又(yòu)是被控對(duì)象的輸入(ru)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(bi)例增益，T_I 爲(wèi)模拟控制(zhi)器的積分(fèn)時間常數(shu)，T_D 爲模拟控(kòng)制器的微(wēi)分時間常(chang)數。