解析基于FPGA的智能控制器設(shè)計(jì)及測試方法

　圖2控制器開環(huán)時(shí)序仿真圖

　　圖2為基于Altera公司FPGA器件EP20K200EQC240-1的模糊自整定PID控制器閉環(huán)輸出時(shí)序仿真結(jié)果。
　　其中：clk：系統(tǒng)時(shí)鐘；clkc：控制器采樣時(shí)鐘；reset：系統(tǒng)復(fù)位信號；e：偏差；ec：偏差的變化率；u：控制器輸出。
　　時(shí)序仿真結(jié)果參數(shù)：Total logic elements：1092 / 8,320 ( 25 % )；Total memory bits：4096 / 106,496 ( 3% )；Clk setup：38.86 MHz；Clkc setup：221.39MHz；Tsu：8.864ns；Tco：7.809 ns。
　　圖2中控制器的激勵(lì)信號偏差e和偏差變化率ec是通過波形編輯器手工編輯獲得，輸入比較繁瑣，它們值的獲取是借助于MATLAB的仿真曲線，因此并不能完全模擬智能控制器的實(shí)時(shí)激勵(lì)信號。 為了能更好的模擬控制器的輸入行為，使測試結(jié)果更加可靠，本文在上述測試基礎(chǔ)上，提出一種新的基于FPGA設(shè)計(jì)工具QuartusII、DSP Builder以及Modelsim的智能控制器閉環(huán)時(shí)序測試方法。
　　5 基于FPGA的智能控制器閉環(huán)時(shí)序測試
　　在自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，控制器的設(shè)計(jì)與測試通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過觀察對象的輸出來判斷控制器性能是否符合設(shè)計(jì)的要求。Altera公司推出的數(shù)字信號處理工具DSP Builder，結(jié)合MathWorks的Matlab和Simulink，為在QuartusII中所做的設(shè)計(jì)提供了一種新的測試方法。本次研究采用的測試流程如下：首先，在Matlab的Simulink中用DSP Builder搭建測試模塊，運(yùn)行無誤后，用Signal Compiler將（.mdl）文件轉(zhuǎn)換成Modelsim可以識別的TCL腳本文件和VHDL文件，其次，對生成的VHDL文件及TCL腳本進(jìn)行設(shè)置CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，最后，在Modelsim中運(yùn)行測試文件，查看測試結(jié)果。DSP Builder下模糊自整定PID控制器的模塊圖如圖3所示。圖中fpid模塊為用戶自定義模塊，是通過DSP Builder的SubSystemBuilder模塊導(dǎo)入的，使用該模塊可以方便的將QuartusII中VHDL設(shè)計(jì)文件的輸入輸出引腳信號引入Simulink系統(tǒng)中。

圖3 DSP Builder下模糊自整定PID控制器的模塊測試圖

　　運(yùn)行Signal Compiler，生成在Modelsim中使用的TCL腳本文件控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，因?yàn)樵赟imulink中添加的用戶自定義模塊是以黑盒的形式出現(xiàn)，因此，在該測試環(huán)境中要將模糊自整定PID控制器的各個(gè)子模塊文件添加到TCL腳本文件中，例如要將子模塊文件pid.vhd添加到TCL腳本文件中，使用vcom -93 -explicit -work work "$workdir/pid.vhd"即可。
　　使用DSP Builder時(shí)需要注意以下兩點(diǎn)：
　?。?）如果沒有使用來自Rate Change庫中的鎖相環(huán)模塊PLL，在Simulink設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換成硬件系統(tǒng)的過程中，DSP Builder將使用同步設(shè)計(jì)規(guī)則，即在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的所有DSP Builder時(shí)序模塊（如圖3中的Delay1模塊）都以單一時(shí)鐘的上升沿同步工作，這個(gè)時(shí)鐘頻率即為整個(gè)系統(tǒng)的采樣頻率。對于這些模塊，其時(shí)鐘引腳都不會直接顯示在Simulink設(shè)計(jì)圖上，但當(dāng)使用Signal Compiler將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為VHDL文件時(shí)，系統(tǒng)會自動地把時(shí)序模塊的時(shí)鐘引腳都連在一起，并與系統(tǒng)的單一時(shí)鐘相接。
　?。?）將一個(gè)已經(jīng)定制完成的VHDL設(shè)計(jì)實(shí)體加入到DSP Builder設(shè)計(jì)系統(tǒng)中時(shí)CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，即使在原設(shè)計(jì)中已經(jīng)使用了同步復(fù)位和時(shí)鐘信號，也必須在該實(shí)體中定義同步清零和時(shí)鐘輸入信號。而且，這兩個(gè)輸入信號必須與目標(biāo)器件的全局時(shí)鐘引腳和全局同步清零引腳相接。如果實(shí)體不需要時(shí)鐘或全局同步清零腳，也應(yīng)當(dāng)定義這些輸入信號，只是不要連接。
　　以被控對象G（s）=4.71×e-0.15s/(0.4s+1)(1.2s+1) 為例，考慮到A/D、D/A的影響，加入零階保持器（1－e-TS）/S，Modelsim中閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸出曲線如圖4所示，系統(tǒng)的給定值為127（相對增益為0.992），輸出值從0上升到峰值148（相對增益為1.156）后迅速回落，最后穩(wěn)定在127，測試結(jié)果與MATLAB的仿真結(jié)果基本相同。

圖4 系統(tǒng)閉環(huán)輸出曲線

　　6 結(jié) 論
　　（1） 基于FPGA構(gòu)建智能控制器具有設(shè)計(jì)靈活、能在線調(diào)整、可靠性高，開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。特別適于中小型系統(tǒng)。
　?。?） 利用QuartusII進(jìn)行智能控制器的VHDL設(shè)計(jì)，通過DSP Builder和Modelsim對在QuartusII中所做的設(shè)計(jì)進(jìn)行閉環(huán)測試，解決了測試樣本的輸入源以及控制器的輸入樣本提取問題，能有效模擬控制器的輸入行為，提高了設(shè)計(jì)及測試的靈活性，同時(shí)，測試結(jié)果可靠且更有說服力。
　?。?） 使用DSP Builder和Modelsim使我們擺脫了以往的測試習(xí)慣，控制器的激勵(lì)輸入信號可以方便的調(diào)用Simulink的模塊，對象也可以根據(jù)需要靈活改變，不需要再用VHDL語言編寫，而且Modelsim支持信號的模擬波形顯示，使我們能夠看到最直觀的圖形。
　?。?） 測試在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占有舉足輕重的作用，它貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)的始終，采用閉環(huán)時(shí)序測試方法，結(jié)合DSP Builder和Modelsim完成智能控制器各個(gè)階段的測試經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是一較好的測試方法，適合于像控制器這類需閉環(huán)檢驗(yàn)其控制品質(zhì)的設(shè)計(jì)。