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1、cheng基于基于FPGAFPGA的温度模糊自适应的温度模糊自适应 PIDPID控制器控制器的设计的设计2010-01-22 10:19:17作者：郭敏 秦刚 刘洋来源:电子设计工程1 1 引言引言温度是工业生产过程中一个主要的被控参数。目前，大多采用常规 PID 控制器实现对温度的控制。PID 控制器具有结构简单、易于实现且鲁棒性好、可靠性高等优点，对可建立精确数学模型的定常系统具有很好的控制效果，但由于实际温度控制系 统工况复杂、参数多变、大惯性、大滞后，常规 PID 控制器难以对其高精度进行控制。模糊控制鲁棒性强，无需被控对象的精确数学模型，只依赖于操作人员的经 验知识及操作数据，非常适
2、用于控制非线性、时变和滞后系统，但其静态性能较差，因此应用范围受很大限制。针对这些问题，这里提出一种基于 FPGA 的温度模糊自适应 PID 控制器设计方案，该方案将传统 PID 控制与现代模糊控制相结合，应用模糊推理方法实现对 PID 参数的自动整定。由此，经 MATLAB仿真验证该控制算法的可行性，将其应用于恒温箱的温度控制。该控制器对恒温箱控制系统的控制效果明显优于常规 PID 控制器。2 2 模糊自适应模糊自适应 PIDPID 控制原理及结构控制原理及结构模糊自适应 PID 控制基本原理：以误差 e 和误差变化 ec 作为输入，运行中不断检测 e 和 ec，并利用模糊规则进行模糊推理，
3、查询模糊矩阵表调整参 数，满足不同时刻的 e 和 ec 对 PID 参数自整定的要求，利用模糊规则在线修改 PID参数，以使被控对象具有良好的静态、动态性能。模糊自适应 PID 控制系 统结构如图 1 所示。常规 PID 控制器作为一种线性控制器，其离散的控制规律为：chengcheng对于系统被控过程中不同的|e|和|ec|，PID 参数 Kp、KI、KD 的自整定原则如下：(1)误差|e|较大时，为加快系统的响应速度，使系统具有快速跟踪性能，应取较大 Kp 和较小 KD。同时，为了防止积分饱和。避免系统超调过大，应限制KI或使其为零。(2)误差|e|和|ec|中等时，为使系统超调较小，应取
4、较小 KP，适当 KI 和 KD，特别是 KD 的取值对系统响应影响较大(一般取值较小)。(3)误差|e|较小时，为使系统具有较好稳态性能，应取较大 KP 和 KI。同时，为避免系统在平衡点附近出现振荡，应取合适的 KD 值。|ec|较大时，取较小 KD；|ec|较小时，取较大 KD。考虑到上述原则，在该设计中，模糊控制器采用2 输入，3 输出的结构。以误差 e 和误差变化 ec 作为输入，经量化和模糊化处理后，查询模糊控制规则 表，得到模糊输出量 KP、KI、KD，再经解模糊和量化因子输出精确量，并将该输出量与传统 PID 相结合输出系统的控制量。输人语言变量 e 和 ec 以及输出 语言变
5、量 KP、KI、KD 的模糊集论域均设为-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，取相应论域上的语言值为 NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB。考虑到对论域的覆盖程度及灵敏度，鲁棒性和稳定性等原则，各模糊子集隶属度函数均采用三角形隶属函数。模糊规则采用“if e is A and ec is B then KP is C and KI isD and KDis E”的方式，控制器参数模糊推理过程采取 Mam-dani 直接推理法，“与”运算采用极小运算，“或”运算采用极大运算，模糊蕴含运算采用极小运算，模糊规则综合采用极大运算，去模糊化采用重心法且其计算公式为：根据
6、PID 参数调整原则，输出量 KP、KI、KD 一轮决策将最多涉及 147 条推理规则。3 3 恒温箱温度控制系统硬件电路设计恒温箱温度控制系统硬件电路设计温度控制目前大多采用以单片机或 CPU 为核心的控制系统，这些以软件控制和运算的系统相比于硬件系统速度要慢、实时性差且可靠性低。FPGA 作为一种新型的数字逻辑器件，具有集成度高、可重复编程、逻辑实现能力强、设计灵活等特点，使用其内部逻辑模块单元实现所需功能，各个 模块并行运行，这使得系统运算速度快、实时性强。与传统的基于 CPU 并行计算不同，FPGA 内部结构真正实现并行计算，不是宏观上并行而是微观上分时运 算。chengcheng该设
7、计采用 Ahera 公司的 Cyclone 系列 FPGA器件EP1C12 为核心控制器来测量与控制恒温箱内温度。通过键盘向 FPGA 输入设定温度，现场温度参数由热电偶传感器转 换成电动势信号，经 AD 转换和滤波后，将实时的数字测量值送入FPGA。FPGA 将比较温度的设定值与测量值，经模糊自适应 PID 控制算法运算处理后，输出相应控制信号，确保恒温箱内温度变化范围始终保持在设定值的误差范围内。系统的液晶显示用于实时显示控制系统的当前温度值、温度变化曲线、参数配制等 信息；键盘用于设定控制系统的初始定值及初始参数信息；Flash，SDRAM，I2C 等用于实现存储空间的扩展。图 2 为系
8、统整体硬件结构框图。此外，在 FPGA 中还集成有 Altera 公司提供的 NIOS II 软核处理器，FPGA一方面通过内部的双口 RAM 与其内部的硬件逻辑控制模块进行通讯，获取控制模块的状态信息并配置其参数；另一方面监控显示模块和键盘模块。FPGA 内部逻辑示意图如图 3 所示。模糊自适应 PID 控制模块是整个控制系统的核心，可实现模糊参数自整定PID 控制算法。为便于实现计算机的实时控制，采用离线计算，在线查表方 式。如有需要，只需重新修改控制算法模块，并重新配置 FPGA，就可实现控制算法升级。FPGA 内部各硬件逻辑控制模块均通过 VHDL 硬件描述语言编程实 现。VHDL是一
9、种自上而下的设计方法，具有优秀的可移植性、EDA 平台的通用性及与具体硬件结构的无关性等特点。与用常规顺序执行的计算机程序不 同，VHDL 根本上是并发执行的，这在很大程度上可提高自适应 PID 温度控制系统的处理速度，有效提高设计效率，改善温度控制效果。chengcheng4 4 嵌入式软件设计嵌入式软件设计基于 NIOS 软核 CPU 的嵌入式软件设计采用 C 语言编写完成，该嵌入式软件设计主要实现人机交互和模糊自适应 PID 控制模块监控两部分功能，总体流程如图 4 所示。温度控制系统上电启动后，首先初始化系统，然后模糊自适应 PID 控制模块读双口 RAM1 获得控制器的初始参数信息，
10、并进行控制运算，根据运算所 得结果在显示屏上显示当前温度控制系统的参量及温度变化曲线等当前状态信息，同时将这些实时控制参数及状态信息写入双口RAM2保存，NIOS软核处理器 再由RAM2中读取数据，获得模糊自适应 PID 控制模块的当前状态信息。若由键盘重新输入新的温度设定值，则当系统读取到该值时，自动查询模糊控制规则表 修改双口RAM1 中的配置参数值，重新代入模糊自适应 PID 控制模块进行运算，并将新的参数值及系统实时状态信息写入双口 RAM2 保存且反馈给 NIOS 软 核；若无键盘输入。则系统状态保持不变。5 5 温度模糊自适应温度模糊自适应 PIDPID 控制系统仿真控制系统仿真利
11、用 MATLAB 的 simulink 和 Fuzzy logic toolbox 工具箱仿真模糊自适应PID 温度控制系统，图 5 为其仿真模型。在此，假定以恒温箱为被控对象的传递函数为：0.15，(80s+1)exp(-2s)模糊自适应 PID 和传统 PID 仿真比较，结果chengcheng如图 6 所示，可看出模糊自适应 PID 控制比传统 PID 控制的调节时间短，响 应速度快，超调量小，系统的动、静态性能均有提高。6 6 实际运行结果及存在问题实际运行结果及存在问题设定恒温箱的目标温度为 80，系统运行中的调节时间为400 s，超调量为5，在系统稳定运行时加入阶跃干扰信号，经约
12、300 s 后系统重新趋于稳定，且在此过程中产生的波动较小。因此，对于具有大惯性、大滞后等特点的温度控制系统，基于 FPGA 的温度模糊自适应 PID 控制器可取得良好的控制效果且自适应能力强。但在控制 器的应用过程中仍存在一些问题，如模糊规则和隶属函数的优化、系统抗干扰性能的增强等。因此，仍需进一步完善和修改该控制系统。7 7 结论结论该设计基于高密度的可编程逻辑器件 FP-GA，在传统 PID 控制器的基础上利用模糊控制的优点控制恒温箱的温度。结果表明，该控制系统具有良好 的动、静态性能和鲁棒性能，对参数时变具有很好的适应能力，实时计算量小，调校方便，且具有良好的升级性能和灵活性。市场应用前景较好。cheng