基于FPGA的溫度模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計(jì)

基于FPGA的溫度模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計(jì)基于FPGA的溫度模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計(jì)此外，在FPGA中還集成有Altera公司提供的NIOSII軟核處理器，F(xiàn)PGA一方面通過內(nèi)部的雙口RAM與其內(nèi)部的硬件邏輯控制模塊進(jìn)行通訊，獲取控制模塊的狀態(tài)信息并配置其參數(shù)；另一方面監(jiān)控顯示模塊和鍵盤模塊。FPGA內(nèi)部邏輯示意圖如圖3所示。模糊自適應(yīng)PID控制模塊是整個控制系統(tǒng)的核心，可實(shí)現(xiàn)模糊參數(shù)自整定PID控制算法。為便于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的實(shí)時控制，采用離線計(jì)算，在線查表方式。如有需要，只需重新修改控制算法模塊，并重新配置FPGA，就可實(shí)現(xiàn)控制算法升級。FPGA內(nèi)部各硬件邏輯控制模塊均通過VHDL硬件描述語言編程實(shí)現(xiàn)。VHDL是一種自上而下的設(shè)計(jì)方法，具有優(yōu)秀的可移植性、EDA平臺的通用性及與具體硬件結(jié)構(gòu)的無關(guān)性等特點(diǎn)。與用常規(guī)順序執(zhí)行的計(jì)算機(jī)程序不同，VHDL根本上是并發(fā)執(zhí)行的，這在很大程度上可提高自適應(yīng)PID溫度控制系統(tǒng)的處理速度，有效提高設(shè)計(jì)效率，改善溫度控制效果。4嵌入式軟件設(shè)計(jì)基于NIOS軟核CPU的嵌入式軟件設(shè)計(jì)采用C語言編寫完成，該嵌入式軟件設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和模糊自適應(yīng)PID控制模塊監(jiān)控兩部分功能，總體流程如圖4所示。溫度控制系統(tǒng)上電啟動后，首先初始化系統(tǒng)，然后模糊自適應(yīng)PID控制模塊讀雙口RAM1獲得控制器的初始參數(shù)信息，并進(jìn)行控制運(yùn)算，根據(jù)運(yùn)算所得結(jié)果在顯示屏上顯示當(dāng)前溫度控制系統(tǒng)的參量及溫度變化曲線等當(dāng)前狀態(tài)信息，同時將這些實(shí)時控制參數(shù)及狀態(tài)信息寫入雙口RAM2保存，NIOS軟核處理器再由RAM2中讀取數(shù)據(jù)，獲得模糊自適應(yīng)PID控制模塊的當(dāng)前狀態(tài)信息。若由鍵盤重新輸入新的溫度設(shè)定值，則當(dāng)系統(tǒng)讀取到該值時，自動查詢模糊控制規(guī)則表修改雙口RAM1中的配置參數(shù)值，重新代入模糊自適應(yīng)PID控制模塊進(jìn)行運(yùn)算，并將新的參數(shù)值及系統(tǒng)實(shí)時狀態(tài)信息寫入雙口RAM2保存且反饋給NIOS軟核；若無鍵盤輸入。則系統(tǒng)狀態(tài)保持不變。5溫度模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)仿真利用MATLAB的simulink和Fuzzylogictoolbox工具箱仿真模糊自適應(yīng)PID溫度控制系統(tǒng)，圖5為其仿真模型。在此，假定以恒溫箱為被控對象的傳遞函數(shù)為：[0.15，(80s+1)]exp(-2s)模糊自適應(yīng)PID和傳統(tǒng)PID仿真比較，結(jié)果如圖6所示，可看出模糊自適應(yīng)PID控制比傳統(tǒng)PID控制的調(diào)節(jié)時間短，響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能均有提高。6實(shí)際運(yùn)行結(jié)果及存在問題設(shè)定恒溫箱的目標(biāo)溫度為80℃，系統(tǒng)運(yùn)行中的調(diào)節(jié)時間為400s，超調(diào)量為5％，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時加入階躍干擾信號，經(jīng)約300s后系統(tǒng)重新趨于穩(wěn)定，且在此過程中產(chǎn)生的波動較小。因此，對于具有大慣性、大滯后等特點(diǎn)的溫度控制系統(tǒng)，基于FPGA的溫度模糊自適應(yīng)PID控制器可取得良好的控制效果且自適應(yīng)能力強(qiáng)。但在控制器的應(yīng)用過程中仍存在一些問題，如模糊規(guī)則和隸屬函數(shù)的優(yōu)化、系統(tǒng)抗干擾性能的增強(qiáng)等。因此，仍需進(jìn)一步完善和修改該控制系統(tǒng)。7結(jié)論該設(shè)計(jì)基于高密度的可編程邏輯器件FP-GA，在傳統(tǒng)PID控制器的基礎(chǔ)上利用模糊控制的優(yōu)點(diǎn)控制恒溫箱的溫度。結(jié)果表明