1.引言

在(zai)許多現代化(huà)的工業生産(chǎn)如冶金、電力(lì)等，實現對溫(wen)度的精度控(kòng)制至關重要(yào)的，不僅直接(jiē)影響着産品(pin)的質量，而且(qiě)還關系到生(sheng)産安全、能源(yuán)節約等一系(xi)列重💜大經濟(jì)指标。

PID控制由(yóu)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(zhōng)，大多數模🔴糊(hú)PID控♊制器⭐都利(lì)用單片機軟(ruan)件編程來實(shi)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(shòu)外界的幹擾(rao)，抗幹擾性能(neng)力差⭐，對于實(shí)時性要求很(hen)高和外界幹(gan)擾比較嚴重(zhong)的系統不太(tai)适宜。本文選(xuan)取FPGA(現場可編(bian)程門陣列)作(zuo)爲系統的主(zhu)控制芯片，FPGA所(suo)有的🍉信号都(dōu)是🌍時鍾驅動(dòng)的，對于程序(xu)的執行具有(you)并行運算的(de)能力，顯著的(de)提高了系統(tǒng)控制的實時(shí)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(pǎo)飛的問題。尤(you)其是現🏒在FPGA器(qì)件有越來越(yue)多的🛀🏻參考設(she)計方案以及(ji)IP(知識🌈産權)核(he)心庫方面的(de)支持。利用FPGA設(she)計的PID控制器(qi)一方面可以(yǐ)将實現PID算法(fǎ)的模🐆塊單獨(dú)作爲控制模(mó)🛀🏻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(kòng)制算法也可(ke)以将🔴其作✊爲(wei)系統内的IP核(hé)，以便在多路(lu)或複雜🌈的系(xi)統上直接調(diao)用，加快研發(fā)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(shi)，PID系統框圖中(zhōng)，整個系統主(zhu)要包括比較(jiào)器、PID控制器和(hé)控制對象，其(qi)中PID包括三個(gè)環節，即比例(lì)、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(tǒng)的輸出值，e(t)是(shì)💜給定值與🌂輸(shu)出值的偏差(chà)，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(liang)，又是被控對(duì)象的輸入量(liàng)，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(fen)時間常數，T_D 爲(wèi)模拟控制器(qi)的微分時間(jiān)常數。