基于FPGA的溫度模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計(jì)
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溫度是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中一個(gè)主要的被控參數(shù)。目前，大多采用常規(guī)PID控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)且魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)可建立精確數(shù)學(xué)模型的定常系統(tǒng)具有很好的控制效果，但由于實(shí)際溫度控制系統(tǒng)工況復(fù)雜、參數(shù)多變、大慣性、大滯后，常規(guī)PID控制器難以對(duì)其高精度進(jìn)行控制。模糊控制魯棒性強(qiáng)，無(wú)需被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，只依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)及操作數(shù)據(jù)，非常適用于控制非線性、時(shí)變和滯后系統(tǒng)，但其靜態(tài)性能較差，因此應(yīng)用范圍受很大限制。針對(duì)這些問(wèn)題，這里提出一種基于FPGA的溫度模糊自適應(yīng)PID控制器設(shè)計(jì)方案，該方案將傳統(tǒng)PID控制與現(xiàn)代模糊控制相結(jié)合，應(yīng)用模糊推理方法實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的自動(dòng)整定。由此，經(jīng)MATLAB仿真驗(yàn)證該控制算法的可行性，將其應(yīng)用于恒溫箱的溫度控制。該控制器對(duì)恒溫箱控制系統(tǒng)的控制效果明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制器。
2 模糊自適應(yīng)PID控制原理及結(jié)構(gòu)
模糊自適應(yīng)PID控制基本原理：以誤差e和誤差變化ec作為輸入，運(yùn)行中不斷檢測(cè)e和ec，并利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表調(diào)整參數(shù)，滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)PID參數(shù)自整定的要求，利用模糊規(guī)則在線修改PID參數(shù)，以使被控對(duì)象具有良好的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能。模糊自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
常規(guī)PID控制器作為一種線性控制器，其離散的控制規(guī)律為：
對(duì)于系統(tǒng)被控過(guò)程中不同的|e|和|ec|，PID參數(shù)Kp、KI、KD的自整定原則如下：
(1)誤差|e|較大時(shí)，為加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)具有快速跟蹤性能，應(yīng)取較大Kp和較小KD。同時(shí)，為了防止積分飽和。避免系統(tǒng)超調(diào)過(guò)大，應(yīng)限制KI或使其為零。
(2)誤差|e|和|ec|中等時(shí)，為使系統(tǒng)超調(diào)較小，應(yīng)取較小KP，適當(dāng)KI和KD，特別是KD的取值對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)影響較大(一般取值較小)。
(3)誤差|e|較小時(shí)，為使系統(tǒng)具有較好穩(wěn)態(tài)性能，應(yīng)取較大KP和KI。同時(shí)，為避免系統(tǒng)在平衡點(diǎn)附近出現(xiàn)振蕩，應(yīng)取合適的KD值。|ec|較大時(shí)，取較小KD；|ec|較小時(shí)，取較大KD。
考慮到上述原則，在該設(shè)計(jì)中，模糊控制器采用2輸入，3輸出的結(jié)構(gòu)。以誤差e和誤差變化ec作為輸入，經(jīng)量化和模糊化處理后，查詢模糊控制規(guī)則表，得到模糊輸出量KP、KI、KD，再經(jīng)解模糊和量化因子輸出精確量，并將該輸出量與傳統(tǒng)PID相結(jié)合輸出系統(tǒng)的控制量。輸人語(yǔ)言變量e和ec以及輸出語(yǔ)言變量KP、KI、KD的模糊集論域均設(shè)為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，取相應(yīng)論域上的語(yǔ)言值為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}?？紤]到對(duì)論域的覆蓋程度及靈敏度，魯棒性和穩(wěn)定性等原則，各模糊子集隸屬度函數(shù)均采用三角形隸屬函數(shù)。
模糊規(guī)則采用“if e is A and ec is B then KP is C and KI isD and KD is E”的方式，控制器參數(shù)模糊推理過(guò)程采取Mam-dani直接推理法，“與”運(yùn)算采用極小運(yùn)算，“或”運(yùn)算采用極大運(yùn)算，模糊蘊(yùn)含運(yùn)算采用極小運(yùn)算，模糊規(guī)則綜合采用極大運(yùn)算，去模糊化采用重心法且其計(jì)算公式為：
根據(jù)PID參數(shù)調(diào)整原則，輸出量KP、KI、KD一輪決策將最多涉及147條推理規(guī)則。
3 恒溫箱溫度控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
溫度控制目前大多采用以單片機(jī)或CPU為核心的控制系統(tǒng)，這些以軟件控制和運(yùn)算的系統(tǒng)相比于硬件系統(tǒng)速度要慢、實(shí)時(shí)性差且可靠性低。
FPGA作為一種新型的數(shù)字邏輯器件，具有集成度高、可重復(fù)編程、邏輯實(shí)現(xiàn)能力強(qiáng)、設(shè)計(jì)靈活等特點(diǎn)，使用其內(nèi)部邏輯模塊單元實(shí)現(xiàn)所需功能，各個(gè)模塊并行運(yùn)行，這使得系統(tǒng)運(yùn)算速度快、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。與傳統(tǒng)的基于CPU并行計(jì)算不同，FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)真正實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算，不是宏觀上并行而是微觀上分時(shí)運(yùn)算。
該設(shè)計(jì)采用Ahera公司的Cyclone系列FPGA器件EP1C12為核心控制器來(lái)測(cè)量與控制恒溫箱內(nèi)溫度。通過(guò)鍵盤向FPGA輸入設(shè)定溫度，現(xiàn)場(chǎng)溫度參數(shù)由熱電偶傳感器轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換和濾波后，將實(shí)時(shí)的數(shù)字測(cè)量值送入FPGA。FPGA將比較溫度的設(shè)定值與測(cè)量值，經(jīng)模糊自適應(yīng)PID控制算法運(yùn)算處理后，輸出相應(yīng)控制信號(hào)，確保恒溫箱內(nèi)溫度變化范圍始終保持在設(shè)定值的誤差范圍內(nèi)。系統(tǒng)的液晶顯示用于實(shí)時(shí)顯示控制系統(tǒng)的當(dāng)前溫度值、溫度變化曲線、參數(shù)配制等信息；鍵盤用于設(shè)定控制系統(tǒng)的初始定值及初始參數(shù)信息；Flash，SDRAM，I2C等用于實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)空間的擴(kuò)展。圖2為系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)框圖。
此外，在FPGA中還集成有Altera公司提供的NIOS II軟核處理器，F(xiàn)PGA一方面通過(guò)內(nèi)部的雙口RAM與其內(nèi)部的硬件邏輯控制模塊進(jìn)行通訊，獲取控制模塊的狀態(tài)信息并配置其參數(shù)；另一方面監(jiān)控顯示模塊和鍵盤模塊。FPGA內(nèi)部邏輯示意圖如圖3所示。
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