1.引(yǐn)言

在許多(duō)現代化的(de)工業生産(chan)如冶金、電(dian)力等，實現(xian)對溫度的(de)精度控制(zhì)至關重要(yao)的，不僅直(zhí)接影響着(zhe)産品的㊙️質(zhi)量，而且還(hái)關系到生(shēng)産安全、能(néng)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(bang)性好，可靠(kao)性高，在常(chang)規的溫度(du)控制中應(yīng)用非🌏常廣(guǎng)泛。目前工(gong)程的實際(jì)應用中，大(dà)多數模💚糊(hu)PID控制器都(dōu)利用單片(pian)機軟件編(biān)程來實現(xiàn)，然而單片(piàn)機的指令(lìng)是按順序(xù)執行的，實(shi)時性不強(qiáng)，加上軟件(jian)實現容易(yì)受外界的(de)幹擾，抗幹(gan)擾性能力(lì)差，對于實(shí)時性要求(qiu)很高和外(wai)界幹擾比(bi)較嚴重的(de)系統不太(tai)适宜。本文(wen)選取FPGA(現場(chang)可編程門(mén)陣列)作爲(wèi)系統的主(zhǔ)控制芯片(piàn)，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(li)，顯著的提(tí)高了系統(tong)控制的實(shí)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(è)劣的環境(jìng)條件下發(fā)生程序跑(pǎo)飛的問題(ti)。尤其是現(xian)在FPGA器件有(yǒu)越來越多(duō)的參考設(she)計方案以(yi)及IP(知識産(chan)權)核心庫(kù)方面的支(zhi)持。利用FPGA設(shè)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(dú)作爲控制(zhi)模👉塊來使(shǐ)用，直接🈲去(qu)實現對控(kong)制對象的(de)調節，另一(yī)方💯面，基于(yú)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(tong)上直接調(diao)用，加快研(yán)發設計速(sù)度。

2.PID算法分(fèn)析

2.1 離散PID算(suàn)法

PID控制系(xi)統是一個(ge)簡單的閉(bì)環系統，如(ru)圖1所示，PID系(xì)統框圖中(zhōng)，整個💯系統(tǒng)主要包括(kuò)比較器、PID控(kong)制器和控(kong)制對象，其(qí)中PID包括三(sān)個環節，即(ji)比例、積分(fen)和微分。

圖1 PID系統框(kuang)圖

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

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

u(t)作爲(wei)控制系統(tong)中的中間(jiān)便量，既是(shi)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(ru)量，因♋此模(mo)拟PID控制器(qì)的控👉制規(guī)律爲：

其中(zhōng)，K_P 爲模拟控(kong)制器的比(bǐ)例增益，T_I 爲(wèi)模拟控制(zhì)器的積分(fen)時間常數(shu)，T_D 爲模拟控(kòng)制器的微(wēi)分時間常(chang)數。