基于fpga的pid控制在液浮陀螺回路中的应用

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1、为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。基于FPGA的PID控制在液浮陀螺回路中的应用　　摘要：PID控制器的可靠性及实时性，是实现运动控制系统精确定位或跟踪的重要环节。利用PID控制液浮陀螺再平衡回路，在分析PID控制算法的基础上，采用FPGA对增量型PID控制器进行设计及仿真实验，使陀螺输出能及时响应角增量的变化。程序采用VHDL语言编写，使用软件Libero完成PID控制器的设计、编译和仿真，仿真结果表明该方法有效

2、可行。　　关键词：PID控制；可编程逻辑器件；液浮陀螺回路　　DOIDOI：/　　中图分类号：TP319　　文献标识码：A文章编号：1672--0140-03　　0引言为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。　　PID控制器结构清晰，控制

3、参数可调，响应速度快，能够广泛运用于各种控制变量，可在现场根据实际情况调节参数而得到较好的控制效果，在动态控制系统应用广泛。其核心设计思想是通过分析被控对象的控制需求，建立被控对象动态特征的数学模型，采用调整比例、积分、微分参数的控制策略达到最佳的控制效果和系统响应。此类动态控制系统的被控量一般为模拟量，例如速度、角度、水位等。利用目标值和输入值之间的差值，经过离散化后仅有数字PID控制器经过运算处理，将运算结果由数模转换变为模拟量，反馈给被控对象，这就是PID控制中常用的近似逼近原理。随着现场可编程逻辑门阵列的兴起，数字PID控制器的设计得到了新的发展。

4、FPGA集成度高、可靠性高、体积小、功耗低、设计方法灵活，可进行反复编程、调试、烧写，能适应嵌入式系统应用。　　1液浮陀螺回路设计　　液浮陀螺利用刚体旋转时具有定轴性的原理，当旋转的转子感到角动量时，会产生一个和角动量成比例的敏感器信号，通过处理敏感器信号后输出加矩信号，便可得到陀螺的运动角速度。离散化的数字再平衡回路如图1所示。　　图1中AD转换器用于采集模拟信号，并将其离散化变为数字量信号。在FPGA中固化的PID算法用于信号的运算处理，DA转换器将经过处理的数字量信号转化为模拟量信号反馈给力矩器，这样便构成了一个完整的数字量控制的液浮陀螺再平衡回路。

5、　　2PID控制器设计　　PID是工业控制中应用最广泛、技术最成熟的一种控制方法，其基本控制原理如图2所示。　　PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r与实际输出值y构成控制偏差：为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。　　将偏差进行

6、比例、积分、微分运算并通过一定规律的线性组合构成控制量u，对被控量进行控制，满足：　　式中，KP为比例放大系数；K1为积分时间常数；KD为微分时间常数。数字PID控制算法的实现必须用数值逼近方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID算法离散化。将PID算法的微分方程离散化、差分、归并处理后可得：　　根据递推原理得到：　　从式可以看出，增量式数字PID算法，只要储存最近3个误差采样值e、e、e就足够了。　　将式减去式可得：　　3FPGA源程序设计　　典型的数字PID控制系统由A/D转换、PID控制算法和D/A转换3个关键环节构成。为了

7、协调3个环节之间的工作流程，系统工作控制部件必不可少。这里使用状态机来完成不同运算步骤之间的协调，在高速运算和运动控制方面，有限状态机有着独特的优势。为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。　　有限状态机从信号输出方式上分，有Moore型

8、和Mealy型�衫唷Ｇ罢叩氖涑鲎刺�只和当前状态有关，而后者的输出