1.引言

在(zài)許多現代化(huà)的工業生産(chan)如冶金、電力(li)等，實現對溫(wen)👨‍❤️‍👨度👅的精度控(kong)制至關重要(yao)的，不僅直接(jiē)影響着産品(pin)的質量，而且(qiě)還關💚系到生(shēng)産安全、能源(yuán)節約等一系(xi)列重大經濟(jì)☎️指标。

PID控制由(you)于其魯棒性(xing)好，可靠性高(gao)，在常規的溫(wen)度控制中應(ying)用非常廣泛(fan)。目前工程的(de)實際應用中(zhong)，大多數模糊(hu)PID控制器都利(lì)用單片機軟(ruǎn)件編程來實(shí)現，然✍️而單片(piàn)機的指令是(shì)按🌂順序執行(háng)的，實時性不(bú)強，加上軟件(jian)實現容易受(shou)外界的幹擾(rǎo)，抗幹擾性能(neng)力差，對于實(shi)時性要求很(hen)高和外界幹(gan)擾比🤟較嚴重(zhòng)的系統不太(tai)适宜。本👨‍❤️‍👨文選(xuan)取FPGA(現場可編(biān)程門陣列)作(zuò)爲系統的主(zhǔ)控制芯片❤️，FPGA所(suo)有的信号都(dōu)是✨時鍾驅動(dòng)的，對于👈程序(xù)的執行具有(yǒu)🈲并行運算的(de)能力，顯🈚著的(de)提高了系統(tong)控制的實時(shi)性，在FPGA内部⭕硬(yìng)件實現還可(ke)以防止像單(dan)片機程序一(yi)樣，在惡劣的(de)環境條件下(xia)發生🏃‍♀️程序跑(pao)飛的問題。尤(you)其是現在FPGA器(qì)件有越來越(yue)多的💞參考設(shè)計方案以及(jí)IP(知識産權🐪)核(he)心庫方面的(de)支持。利用FPGA設(shè)計🙇‍♀️的PID控制器(qi)一方面可以(yi)将實現PID算法(fa)的模塊單獨(dú)作爲控制模(mo)🙇‍♀️塊來使用，直(zhi)接去實現對(duì)控⁉️制對象的(de)調節，另一方(fang)面，基于FPGA的PID控(kong)制算法也可(ke)以将其作💃🏻爲(wei)系統内的IP核(he)，以便在多路(lù)或複雜☂️的系(xi)統上直接調(diào)用，加快研發(fa)設計速度。

2.PID算(suàn)法分析

2.1 離散(sàn)PID算法

PID控制系(xi)統是一個簡(jiǎn)單的閉環系(xi)統，如圖1所示(shì)，PID系統框圖中(zhōng)，整個系統主(zhǔ)要包括比較(jiào)器、PID控制器和(he)控制對象，其(qí)中PID包括三個(gè)環節，即比例(li)、積分和微分(fèn)。

圖1 PID系統框圖(tu)

圖1中的r(t)作爲(wei)系統的給定(ding)值，y(t)作爲系統(tong)的輸出值，e(t)是(shì)給定值與輸(shū)👉出值的偏差(cha)，所以系統的(de)偏差可以求(qiu)得：

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

u(t)作爲控制(zhì)系統中的中(zhōng)間便量，既是(shi)偏差e(t)通過PID控(kong)制⛱️算法處理(lǐ)後的輸出量(liàng)，又是被控對(dui)象的輸入量(liang)，因此模拟PID控(kòng)制器的控✌️制(zhi)規律爲：

其中(zhong)，K_P 爲模拟控制(zhi)器的比例增(zeng)益，T_I 爲模拟控(kong)制器的積分(fèn)時間常數，T_D 爲(wei)模拟控制器(qi)的微分時間(jian)常數。