资源描述：
《基于FPGA的温度模糊自适应PID控制器的设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、基于FPGA的温度模糊自适应PID控制器的设计2010-01-2210:19:17作者:W秦刚刘洋來源：电子设计工程1引言温度是工业生产过程屮一个主要的被控参数。目前，大多采用常规P1D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PTD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，非常适用于控制非线性、时变和滞后系统
2、,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PTD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P1D控制器。2模糊自适应PID控制原理及结构模糊自适应PID控制基木原理：以误差e和误差变化ec作为输入，运行屮不断检测e和ec,并利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表调整参数，满足不同时刻的e和cc对P
3、ID参数口整定的要求，利用模糊规则在线修改PID参数，以使被控对象具冇良好的静态、动态性能。模糊自适应P1D控制系统结构如图1所示。推理I输入厂I
4、A/D转矿
5、_丽頁感、变送器图1模糊自适应PID控制系统濟碟扇畀：常规PID控制器作为一种线性控制器，其离散的控制规律为:Au(k)=Kpe(k)-e(A-l)]+u(0)(1)i=0对于系统被控过程屮不同的
6、e
7、和
8、ec
9、,P1D参数Kp、KI、KD的自整定原则如下：(1)误差
10、e
11、较大吋，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
12、系统超调过大，应限制KI或使其为零。(2)误差
13、e
14、和
15、ec
16、中等时，为使系统超调较小，应取较小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)o(3)误差
17、e
18、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。
19、ec
20、较大吋，取较小KD；Iec
21、较小时，取较大KD。考虑到上述原则，在该设计小，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
22、子输出精确量,并将该输出量与传统PTD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,Z0,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“ifeisAandecisBthenKPisCandKIisDandKDisE”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
23、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冃其计算公式为：根据PID参数调整原则，输出量KP、KI、KD—轮决策将最多涉及147条推理规则。3恒温箱温度控制系统硬件电路设计温度控制口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-•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
24、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吋运算。该设计采用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A/D转换和滤波后，将实吋的数字测量值送入FPGAoFPGA将比较温度的设定值与测量值，经模糊自适应PTD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课差范围内。系统的液品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
25、数配制等信息；键盘用丁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为系统整体硕件结构框图。液晶键显示A/D亠温度丄传感器转殃石r♦i驱动*D/A亠转换器*Trc
26、SD
