基于sopc的小生境免疫pid温度控制器的设计

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1、基于SOPC的小生境免疫PID温度控制器的设计　　DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2016.07.011　　摘要：介绍了一种基于可编程片上系统（System-on-a-Programmable-Chip，SOPC）的智能温度控制器的实现。利用SOPC技术和FPGA内部的NIOSII软核处理器，实现对PID参数的智能整定、温度的实时检测和控制。与传统的解决方案相比，基于SOPC的小生境免疫PID温度控制器具有超调量小、调整时间短等优点，仿真实验验证了该方案的有效性。　　关键词：小生境；免疫算法；PID整定；SOPC　　中图分类

2、号：TP18文献标志码：A文章编号：1006-8228（2016）07-38-03　　DesignofPIDtemperaturecontrollerwithSOPCandnicheimmunealgorithm　　BaoKe，ShenXiaohui，FangYuan，LaiHaichao　　（ZhejiangProvincialTestingInstituteofElectronicinformationProducts，Hangzhou，Zhejiang310007，China）　　Abstract：Thispaperintroducestheimple

3、mentationofanintelligenttemperaturecontrollerbasedonSOPC（System-On-a　　-Programmable-Chip）.TheintelligentPIDparameterstuningandthereal-timetemperaturedetectionandcontrolarerealized4byusingSOPCtechnologyandFPGANiosIIsoftcoreprocessor.Comparedwiththetraditionalsolutions，theSOPCbasedNi

4、cheImmunePIDtemperaturecontrollerhastheadvantagesofsmallovershootandshortadjustingtime.Thesimulationresultshaveverifiedtheeffectivenessoftheproposedmethod.　　Keywords：niche；immunealgorithm；PIDparametertuning；SOPC　　0引言　　在工业生产中，温度是应用最为广泛且最为重要的过程参数之一。由于温度具有大惯性、大滞后的特性，在进行PID控制时很难通过人工方式获

5、取较优的PID参数[1]。通过遗传算法、一般免疫算法等智能优化算法对PID参数进行优化时，也面临着算法过早收敛、寻优能力不足等缺陷[2-3]。小生境免疫算法是将小生境机制引入到免疫算法基于抗体浓度的调节机制和多样性保持策略中的智能参数优化算法。将该算法应用于PID参数整定，可获取性能良好的PID参数。　　在传统解决方案中，大多采用以单片机为核心的温度控制器[4-5]，但它们都很难解决小生境免疫算法实时整定PID参数所带来的性能开销问题[6]，而且单片机一旦确定芯片型号，其内部资源配置也随之确定，无法进行后续的系统升级。本文提出一种基于SOPC的小生境免疫PI

6、D温度控制器的设计思路和实现方法，在常规温度传感电路的基础上，以小生境免疫算法实时计算当前环境下最优的PID参数进行PID控制，并通过PWM方式实现温度调节。4　　1系统硬件设计　　本系统以FPGA为硬件核心。首先，由温度传感器采集温度参数，经A/D转换后送入FPGA中的NIOSII处理器，NIOSII处理器一方面将实际温度参数通过UART串口模块送至上位机，一方面根据温度偏差值运算小生境免疫算法得出最优PID参数，并控制PWM模块输出控制信号。系统构架如图1所示。　　其中，On-ChipMemory作为程序的运行空间，Flash作为FPGA配置文件以及软核

7、文件的存储空间。FPGA上电后将Flash存储的程序加载到On-ChipMemory中运行，CFI控制器核由SOPCBuilder自带的IP核提供。采用SOPCBuilder中提供的UARTIP核作为与上位机通信的接口；采用第三方设计的PWMIP核用于对加热元件的脉冲调制。　　本设计选用瑞士Sensirion公司的数字传感器芯片SHT11采集温度信号，SHT11将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转化和存储功能集成到一个芯片上，在芯片内自动进行A/D转换，无需附加外部电路即可连接FPGA。SHT11采用两线数字串行接口SCK和DATA，具体电路如图2所示。

8、　　4结论　　本文将SOPC技术和小生境免疫算法运用