PDF《基于 FPGA 的模糊 PID 控制器实现》

第28 卷第8期2010 年8月河南科学HENAN SCIENCE Vol.

28 No.8 Aug.

2010 收稿日期:2010-04-11 作者简介:锦晓曦 (1989- ) , 女, 河南民权人 张天兴 (1959- ) , 男, 河南新乡人, 高级工程师, 主要研究方向为计算机应用. 文章编号: 1004-3918 (2010 ) 08-1005-06 基于 FPGA 的模糊 PID 控制器实现 锦晓曦

1 , 张天兴

2 (1. 上海交通大学 电子信息与电气工程学院自动化系,上海 200240;

2. 新乡白鹭化纤集团有限公司,河南 新乡

453011 ) 摘要:在研究了数字 PID 的硬件串行与并行实现方法的基础上, 对PID 控制器的并行实现方法上进行优化, 实现 在保证快速性的前提下, 减少硬件资源. 在模糊控制器的 FPGA 的实现方面, 研究了联合 MATLAB 的间接设计方法, 通过 MATLAB 的模糊工具箱的 GUI 界面中的修改隶属度函数与模糊控制规则表得到整定参数 . 最后将模糊控制 器与经过改进后设计的 PID 控制器进行综合设计, 实现了模糊自整定 PID 控制器. 关键词:FPGA;

PID 控制器;

模糊控制器;

模糊 PID 控制器 中图分类号:TP

182 文献标识码:A 对于控制算法的实现, 目前应用最多的有两大类, 即在通用处理器上的纯软件实现和在专用处理器 (ASIC ) 上的硬件实现. 而对于模糊控制算法, 应用最多的是在数字单片机上实现, 利用单片机实现模糊化、 模糊逻辑推理及解模糊化都比较容易实现, 但是速度慢, 稳定性及实时性较差, 系统的硬件电路结构比较复 杂. 模糊控制专用硬件具有体积小, 性能高, 处理速度快等优点, 但也存在价格昂贵, 灵活性差, 设计周期长 等缺点. 而本文是对基于 FPGA (Field Programming Gate Array ) 的模糊 PID 控制器可编程门序列半定制的进行 初步实现. 因为随着 EDA 技术的发展, FPGA 得到了越来越广泛的应用, FPGA 以其功能强大、 开发过程投 资少、 周期短、 可反复修改, 使系统的硬件功能可被编程和重配置, 实时性强、 保密性好、 开发工具功能强大, 成为硬件设计的首选方案之一. FPGA 体系结构通常由相对简单的逻辑单元阵列和大量的寄存器组成, 特 别适用于并行运算的实现, 将模糊控制器在 FPGA 上实现具有很强的实用价值[1-3] . 同时基于 FPGA 的控制 器既可以作为单独的控制芯片模块, 作为整个控制系统的控制单元模块, 又可以将其嵌入到片上可编程系统 中, 成为片上可编程系统 SOPC 的一个 IP 核, 或者作为 ASIC 的前期验证. 因此, 基于 FPGA 的控制器实现 将会是一种更加高效、 灵活的设计方法.

1 FPGA 设计与开发基础 1.1 FPGA 的结构与特性 FPGA 发展非常迅速, 形成了各种不同的结构 . 按逻辑功能块的大小, FPGA 可分为细粒度 FPGA 和粗 粒度 FPGA. 细粒度 FPGA 的逻辑功能块小, 资源可以充分利用, 但连线和开关多, 速度慢;

粗粒度 FPGA 的 逻辑功能块规模大, 功能强, 但资源不能充分利用 . 从逻辑功能块的结构上分类, 可分为查找表的结构、 多 路开关结构和多级与非门结构. 根据 FPGA 内部连线的结构不同, 可以分为分段互联型和连续互联型. 根 据编程方式, FPGA 可分为一次编程与可重复编程两种, 其中一次编程时基于反熔丝编程技术的, 而可重复 编程是基于 SRAM 与Flash 编程技术. 本文所用的 FPGA 芯片是 XC3S400, 它包含有

3584 个Slices、

16 个18*18 的硬件乘法器与