基于FPGA的模糊PID控制器实现

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1、第28卷第8期河南科学Vol.28No.82010年8月HENANSCIENCEAug.2010文章编号：1004-3918（2010）08-1005-06基于FPGA的模糊PID控制器实现12锦晓曦，张天兴（1．上海交通大学电子信息与电气工程学院自动化系，上海200240；2.新乡白鹭化纤集团有限公司，河南新乡453011）摘要：在研究了数字PID的硬件串行与并行实现方法的基础上，对PID控制器的并行实现方法上进行优化，实现在保证快速性的前提下，减少硬件资源.在模糊控制器的FPGA的实现方面，研究了联合MAT

2、LAB的间接设计方法，通过MATLAB的模糊工具箱的GUI界面中的修改隶属度函数与模糊控制规则表得到整定参数.最后将模糊控制器与经过改进后设计的PID控制器进行综合设计，实现了模糊自整定PID控制器.关键词：FPGA；PID控制器；模糊控制器；模糊PID控制器中图分类号：TP182文献标识码：A对于控制算法的实现，目前应用最多的有两大类，即在通用处理器上的纯软件实现和在专用处理器（ASIC）上的硬件实现.而对于模糊控制算法，应用最多的是在数字单片机上实现，利用单片机实现模糊化、模糊逻辑推理及解模糊化都比较容易实

3、现，但是速度慢，稳定性及实时性较差，系统的硬件电路结构比较复杂.模糊控制专用硬件具有体积小，性能高，处理速度快等优点，但也存在价格昂贵，灵活性差，设计周期长等缺点.而本文是对基于FPGA（FieldProgrammingGateArray）的模糊PID控制器可编程门序列半定制的进行初步实现.因为随着EDA技术的发展，FPGA得到了越来越广泛的应用，FPGA以其功能强大、开发过程投资少、周期短、可反复修改，使系统的硬件功能可被编程和重配置，实时性强、保密性好、开发工具功能强大，成为硬件设计的首选方案之一.FPGA

4、体系结构通常由相对简单的逻辑单元阵列和大量的寄存器组成，特[1-3]别适用于并行运算的实现，将模糊控制器在FPGA上实现具有很强的实用价值.同时基于FPGA的控制器既可以作为单独的控制芯片模块，作为整个控制系统的控制单元模块，又可以将其嵌入到片上可编程系统中，成为片上可编程系统SOPC的一个IP核，或者作为ASIC的前期验证.因此，基于FPGA的控制器实现将会是一种更加高效、灵活的设计方法.1FPGA设计与开发基础1．1FPGA的结构与特性FPGA发展非常迅速，形成了各种不同的结构.按逻辑功能块的大小，FPGA

5、可分为细粒度FPGA和粗粒度FPGA.细粒度FPGA的逻辑功能块小，资源可以充分利用，但连线和开关多，速度慢；粗粒度FPGA的逻辑功能块规模大，功能强，但资源不能充分利用.从逻辑功能块的结构上分类，可分为查找表的结构、多路开关结构和多级与非门结构.根据FPGA内部连线的结构不同，可以分为分段互联型和连续互联型.根据编程方式，FPGA可分为一次编程与可重复编程两种，其中一次编程时基于反熔丝编程技术的，而可重复编程是基于SRAM与Flash编程技术.本文所用的FPGA芯片是XC3S400，它包含有3584个Slic

6、es、16个18×18的硬件乘法器与16块BlockRAM，每个BlockRAM的容量都是18kB，它属于Spartan3系列的芯片.1．2开发流程简介FPGA开发流程主要包括电路设计与输入（硬件描述语言编程）、逻辑综合、实现、编程与配置等主要步[4]骤，每一步骤都有相应的开发工具.FPGA的开发流程如图1所示.收稿日期：2010-04-11作者简介：锦晓曦（1989-），女，河南民权人张天兴（1959-），男，河南新乡人，高级工程师，主要研究方向为计算机应用.-1006-河南科学河南科学第28卷第8期2PID

7、控制器的FPGA实现硬件描述语言行为级仿真2．1PID算法原理综合功能仿真PID增量型控制算法：u（k）=u（k－1）＋k［pe（k）－e（k－1）］＋（1）实现时序仿真kie（k）＋k［de（k）－2e（k－1）＋e（k－2）］，其中：kp为比例增益；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数；编程与配置板级验证u（k）为控制量；e（k）为偏差.图1FPGA开发流程图整理后得Fig.1DevelopmentflowchartofFPGAu（k）=u（k-1）+k0e（k）+k1e（k-1）+k2e（k-2），（2

8、）其中：k0=kp+ki+kd，k1=-kp-2kd，k2=kd.e（k）e（k-1）e（k-2）r（k）○○REG○REG式（2）是本文所用的表达方式.y（k）○○2．2数字PID的硬件实现方法描述K1○K0○○2．2．1串行实现方法串行实现的基本思想是基于ALAP（AS○K2○u（k-1）○REGLastAsPossible）的结构，以速度换取资源，只需要两个逻辑算u（k）○限幅子