1.引言

在(zài)許多現代化(hua)的工業生産(chan)如冶金、電力(lì)等，實現對溫(wen)度的精🥰度🙇‍♀️控(kòng)制至關重要(yao)的，不僅直接(jiē)影響着産品(pin)的質量👨‍❤️‍👨，而且(qie)還關系到生(shēng)産安全、能源(yuán)節約等一系(xi)列重大經濟(jì)指标。

PID控制由(yóu)于其魯棒性(xing)好，可靠性高(gāo)，在常規的溫(wen)度控制中💘應(ying)用非常廣泛(fàn)。目前工程的(de)實際應用中(zhōng)，大多👈數模糊(hú)PID控制器都利(li)用單片機軟(ruǎn)件編程來實(shí)現，然而單片(piàn)😍機的指令是(shì)按順序執行(hang)的，實時性不(bú)強，加上軟件(jiàn)實🥰現容易受(shòu)外界的幹擾(rao)，抗幹擾性能(néng)力差⚽，對于實(shí)時性要求很(hen)高和外界幹(gàn)擾比較嚴重(zhong)的系統不太(tài)适宜⛷️。本文選(xuan)取FPGA(現場可編(bian)程門陣列)作(zuò)❄️爲系統的主(zhǔ)控🏃制芯片，FPGA所(suo)有的🛀🏻信号都(dou)是時鍾驅動(dong)的，對于程序(xù)的執行具有(you)并行運算的(de)能力♻️，顯💁著的(de)提高了系統(tǒng)控制的實時(shí)性，在FPGA内部硬(yìng)件實現還可(ke)以防🛀🏻止像單(dan)片機程序一(yi)樣，在惡劣的(de)環境條件下(xià)發生👈程序跑(pǎo)飛的問題。尤(you)其是現在FPGA器(qi)件有越來越(yue)多的參考設(she)計方案以及(jí)IP(知識🔱産權)核(hé)心庫方面的(de)支持。利用FPGA設(she)計的PID控制器(qi)一方面可以(yǐ)将實現PID算法(fǎ)的模塊單獨(du)作爲控🔞制模(mo)塊來使用，直(zhí)接去實現對(dui)控制對象的(de)調節，另一方(fāng)面，基于FPGA的PID控(kong)制算法也可(ke)以将其作爲(wei)系統内的IP核(he)，以便㊙️在多路(lu)或複雜的系(xi)統上直接調(diào)用，加快研發(fa)設計速度。

2.PID算(suan)法分析

2.1 離散(sàn)PID算法

PID控制系(xì)統是一個簡(jiǎn)單的閉環系(xì)統，如圖1所示(shì)，PID系統框👈圖中(zhōng)，整🐆個系統主(zhǔ)要包括比較(jiao)器、PID控制器和(hé)控制🥰對象，其(qí)中PID包括三個(ge)環節，即比例(lì)、積分和微分(fen)。

圖1 PID系統框圖(tú)

圖1中的r(t)作爲(wei)系統的給定(ding)值，y(t)作爲系統(tǒng)的輸出值，e(t)是(shi)給定值與輸(shū)❤️出值的偏差(chà)，所以系統的(de)偏差可以求(qiú)得：

e(t)=r(t)-y(t) (1)

u(t)作爲控制(zhi)系統中的中(zhong)間便量，既是(shì)偏差e(t)通過PID控(kòng)制算🏃‍♂️法處理(lǐ)後的輸出量(liang)，又是被控對(dui)象的輸入量(liang)，因此模拟PID控(kong)制器的控制(zhi)規律爲：

其中(zhōng)，K_P 爲模拟控制(zhi)器的比例增(zeng)益，T_I 爲模拟控(kòng)制器的積分(fen)時間常數，T_D 爲(wèi)模拟控制器(qì)的微分時間(jian)常數。