1.引(yǐn)言

在許多(duō)現代化的(de)工業生産(chǎn)如冶金、電(diàn)力等，實現(xian)對☁️溫度💋的(de)精度控制(zhì)至關重要(yào)的，不僅直(zhi)接影響着(zhe)産品的質(zhì)量，而且還(hái)關系到生(shēng)産安全、能(neng)源節約等(děng)一系列重(zhòng)⭐大經濟🙇🏻指(zhǐ)标。

PID控制由(you)于其魯棒(bàng)性好，可靠(kào)性高，在常(chang)規的溫度(du)控制中應(ying)用非常廣(guǎng)泛。目前工(gōng)程的實際(jì)應用中，大(da)多數模🔞糊(hu)PID控制器都(dou)利用單片(piàn)機軟件編(biān)程來實現(xian)，然而單片(piàn)機的指令(ling)是按順序(xù)執行的，實(shí)時性不強(qiáng)，加上軟件(jian)實現容易(yi)受外界的(de)幹擾，抗幹(gan)擾💯性能力(li)差，對于實(shí)時性要求(qiú)很高和外(wài)界幹擾比(bi)較嚴重的(de)系🍓統不太(tài)适宜。本文(wen)選取FPGA(現場(chang)可編程門(men)陣列)作爲(wei)系統的主(zhu)控制芯片(pian)，FPGA所有的信(xin)号都是❌時(shí)鍾驅動的(de)，對于🧑🏾‍🤝‍🧑🏼程序(xu)的執行具(ju)有并行運(yun)算的能力(lì)，顯著的提(tí)高了系統(tong)控制的實(shi)時性😘，在FPGA内(nèi)部硬件實(shi)現還可💘以(yǐ)防止像單(dān)片機程序(xu)一樣，在惡(e)劣的環境(jing)條件下發(fa)生程序跑(pǎo)飛的問題(ti)。尤其是現(xian)在FPGA器件有(you)越來越多(duō)的參考設(she)計方案以(yǐ)及IP(知識㊙️産(chǎn)權)核心庫(ku)方面的支(zhi)持。利用FPGA設(she)計⭕的PID控制(zhi)器一方面(mian)可以将實(shi)現PID算法的(de)模🐆塊單獨(du)作爲控制(zhì)模塊來使(shi)用，直接去(qu)實現對控(kòng)制❄️對象的(de)調節，另一(yī)方面，基于(yu)FPGA的PID控制算(suàn)🏒法也可以(yǐ)将其作爲(wèi)系統内的(de)IP核，以便在(zai)多路或複(fu)雜的系統(tǒng)上直接調(diào)用，加快研(yán)發設計速(su)度🤟。

2.PID算法分(fen)析

2.1 離散PID算(suan)法

PID控制系(xì)統是一個(ge)簡單的閉(bi)環系統，如(ru)圖1所示，PID系(xi)統框🌈圖中(zhōng)，整個系統(tǒng)主要包括(kuo)比較器、PID控(kòng)制器和控(kong)制☁️對象😘，其(qí)中PID包括♍三(san)個環節，即(jí)比例、積分(fen)和微分。

圖1 PID系統框(kuàng)圖

圖1中的(de)r(t)作爲系統(tong)的給定值(zhí)，y(t)作爲系統(tong)的輸出值(zhi)，e(t)是給定值(zhí)與輸出值(zhi)的偏差，所(suo)以系統的(de)偏差可以(yǐ)求得：

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

u(t)作爲(wei)控制系統(tong)中的中間(jian)便量，既是(shì)偏差e(t)通過(guò)PID控制算法(fǎ)處理後的(de)輸出量，又(you)是被控對(dui)象的輸入(rù)量，因此模(mó)🍉拟PID控制器(qì)的控制規(guī)律爲：

其中(zhong)，K_P 爲模拟控(kòng)制器的比(bǐ)例增益，T_I 爲(wei)模拟控制(zhì)器的積分(fen)時間常數(shù)，T_D 爲模拟控(kòng)制器的微(wei)分時間常(cháng)數。