1.引言

在許多現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)如冶金、電力等，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精度控制至關(guān)重要的，不僅直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，而且還關(guān)系到生產(chǎn)安全、能源節(jié)約等一系列重大經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

PID控制由于其魯棒性好，可靠性高，在常規(guī)的溫度控制中應(yīng)用非常廣泛。目前工程的實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)模糊PID控制器都利用單片機(jī)軟件編程來實(shí)現(xiàn)，然而單片機(jī)的指令是按順序執(zhí)行的，實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，加上軟件實(shí)現(xiàn)容易受外界的干擾，抗干擾性能力差，對(duì)于實(shí)時(shí)性要求很高和外界干擾比較嚴(yán)重的系統(tǒng)不太適宜。本文選取FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)作為系統(tǒng)的主控制芯片，F(xiàn)PGA所有的信號(hào)都是時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的，對(duì)于程序的執(zhí)行具有并行運(yùn)算的能力，顯著的提高了系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性，在FPGA內(nèi)部硬件實(shí)現(xiàn)還可以防止像單片機(jī)程序一樣，在惡劣的環(huán)境條件下發(fā)生程序跑飛的問題。尤其是現(xiàn)在FPGA器件有越來越多的參考設(shè)計(jì)方案以及IP(知識(shí)產(chǎn)權(quán))核心庫(kù)方面的支持。利用FPGA設(shè)計(jì)的PID控制器一方面可以將實(shí)現(xiàn)PID算法的模塊單獨(dú)作為控制模塊來使用，直接去實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的調(diào)節(jié)，另一方面，基于FPGA的PID控制算法也可以將其作為系統(tǒng)內(nèi)的IP核，以便在多路或復(fù)雜的系統(tǒng)上直接調(diào)用，加快研發(fā)設(shè)計(jì)速度。

2.PID算法分析

2.1 離散PID算法

PID控制系統(tǒng)是一個(gè)簡(jiǎn)單的閉環(huán)系統(tǒng)，如圖1所示，PID系統(tǒng)框圖中，整個(gè)系統(tǒng)主要包括比較器、PID控制器和控制對(duì)象，其中PID包括三個(gè)環(huán)節(jié)，即比例、積分和微分。

圖1 PID系統(tǒng)框圖

圖1中的r(t)作為系統(tǒng)的給定值，y(t)作為系統(tǒng)的輸出值，e(t)是給定值與輸出值的偏差，所以系統(tǒng)的偏差可以求得：

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

u(t)作為控制系統(tǒng)中的中間便量，既是偏差e(t)通過PID控制算法處理后的輸出量，又是被控對(duì)象的輸入量，因此模擬PID控制器的控制規(guī)律為：

其中，K_P為模擬控制器的比例增益，T_I為模擬控制器的積分時(shí)間常數(shù)，T_D為模擬控制器的微分時(shí)間常數(shù)。