基于fpga的参数自整定pid控制器设计

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1、万方数据基于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摘要根据增量式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。关键词FPGA；参数自整定；增量PID中圈分类号THI3文献标识码A文章编号1674—6708(2011)52一0174—021PID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、

2、调整方便而成为T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It]为：I“(七)=Kp·e(k)+KiEe(i)+Kd[e(k)-e(k-1)](1)t=O公式(1)也称为位置式PID控制算法，控制量的计算与误差的伞部历史值有关。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：幽(女)=“(女)一Ⅳ(々一1)=印(e(女)一e(t一1))+厨·e(k)+Kd(e(k)-2e(k-1)+e(k-2))(2)控制量增量的计算只与相邻三个周

3、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T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上作，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

4、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。对于系统被控过程中不同的H和l卅，PID参数Kp、Ki和Kd的自整定原则12．，I如下：1)误差H较大时，为加快系统的响应速度，使系统具有快速跟踪性能．应取较大Kp和较小Kd。同时，为了防止积分饱和，避免系统超调过大，应限制Ki或使其为零；2)误差H和误差变化率H中等时，为使系统超调较小，应取较小Kp，适当

5、鼬和Kd，特别是Kd的取值对系统响应影响较大(一般取值较小)；3)误差H较小时，为使系统具有较好稳态性能，应取较大Kp和l(i。同时，为避免系统在平衡点附近出现振荡，应取合适的Kd值。I叫较大时，取较小Kd；H较小时。取较大Kd。基于这屿原则，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er

6、ror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一1)和前两个周期的偏差值e(k一2oekflagout为偏差正负标志，用于控制执行器的增(u口)和减(down)操作，若测量值大于设定值，则ektlagout--0；反之，则ekflagout=l。elk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。3．2Kp、Ki、Kd参数自整定模块图l中KpKiKd模块是参数自整定模块

7、。根据error模块输出的e(k)、e(k—1)和e(k一2)，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。’3．3PID控制算法模块图l中PIDctrl模块是PID控制算法模块。其输入分别为@rror模块输出的e(k)、e(k—1)和e(k一2)，KpKiKd模块输出的Kp、Ki和Kd。根据公式(2)，计算控制量的变化量缸任)，即模块中的输出pidoutI15．．O】。3．4PWM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

8、准时钟elk2进行分频，根据PIDctrl模块输出的pidout[15—01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ekflaIg=0时。down端El输出pwm波形，up端[1输出为0；反之，up端u输出pwm波形，down端【1输出为0。4仿真在ModelSim中，编写testbench测试代