1.引(yin)言

在許(xu)多現代(dai)化的工(gong)業生産(chan)如冶金(jin)、電力等(deng)，實現對(duì)溫度的(de)精度控(kong)制至關(guan)重要的(de)，不僅直(zhí)接影響(xiang)着産品(pǐn)的質量(liàng)，而且還(hái)關系到(dào)♍生産安(an)全、能源(yuán)節約等(deng)一系列(lie)重🤩大經(jīng)濟指标(biāo)。

PID控制由(you)于其魯(lǔ)棒性好(hao)，可靠性(xing)高，在常(chang)規的溫(wēn)度控制(zhì)中應用(yòng)非常廣(guǎng)泛。目前(qian)工程的(de)實際應(ying)用中，大(dà)多🐅數模(mó)糊PID控制(zhi)器都利(lì)用單片(piàn)機軟件(jian)編程來(lai)實現，然(ran)而單片(pian)機的指(zhǐ)令是按(àn)順序執(zhi)行的，實(shí)時性不(bu)強，加上(shang)軟件實(shi)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻現容易(yì)受外界(jie)的幹擾(rǎo)，抗幹擾(rao)性能力(lì)差✂️，對于(yú)實時性(xìng)要求很(hěn)高和外(wài)界幹擾(rǎo)比較嚴(yán)重的系(xi)統不太(tài)适宜。本(běn)文選取(qu)FPGA(現場可(ke)編程門(men)陣列)作(zuo)爲系統(tong)的主控(kong)制芯片(piàn)，FPGA所有的(de)信号都(dōu)是時鍾(zhōng)驅動的(de)，對📧于程(cheng)序的執(zhi)行具有(you)🌈并行運(yun)算的能(neng)力，顯著(zhe)的提高(gāo)了系統(tǒng)控✏️制的(de)實時性(xìng)，在FPGA内部(bu)🍉硬件實(shí)現還可(ke)以防止(zhǐ)像單片(piàn)機程序(xu)一樣，在(zai)🎯惡劣的(de)環境條(tiáo)🈲件下發(fā)生⭕程序(xù)跑飛的(de)問題。尤(you)其是🧡現(xian)在FPGA器件(jian)有越來(lai)越多的(de)參考設(she)計方案(àn)以及IP(知(zhi)識産權(quan))核🔞心庫(kù)方面的(de)支持。利(li)用FPGA設計(jì)的PID控制(zhi)器一方(fang)面可以(yi)👨‍❤️‍👨将實現(xiàn)PID算法的(de)模塊單(dān)獨作爲(wèi)控⁉️制模(mo)塊來使(shǐ)用，直接(jie)去實現(xian)對控🈲制(zhi)對象的(de)調節，另(ling)一方面(miàn)，基于FPGA的(de)🚩PID控制算(suàn)法也可(kě)以将其(qí)作♈爲系(xì)統内的(de)IP核，以便(biàn)在多路(lù)或複雜(za)的系統(tong)上🔴直接(jie)調用，加(jiā)快研發(fa)設計🤩速(su)度🐪。

2.PID算法(fa)分析

2.1 離(lí)散PID算法(fa)

PID控制系(xi)統是一(yi)個簡單(dān)的閉環(huán)系統，如(rú)圖1所示(shì)，PID系統❤️框(kuàng)圖中❤️，整(zhěng)個系統(tǒng)主要包(bao)括比較(jiao)器、PID控制(zhì)器和控(kòng)制對象(xiàng)，其中PID包(bāo)括⛷️三個(gè)環節，即(jí)比例、積(jī)分和微(wei)分。

圖1 PID系統(tǒng)框圖

圖(tu)1中的r(t)作(zuo)爲系統(tong)的給定(dìng)值，y(t)作爲(wèi)系統的(de)輸出值(zhi)，e(t)是給定(ding)值與輸(shu)出值的(de)偏差，所(suǒ)以系統(tǒng)的偏差(cha)可以求(qiú)得：

e(t)=r(t)-y(t) (1)

u(t)作爲(wei)控制系(xi)統中的(de)中間便(biàn)量，既是(shi)偏差e(t)通(tōng)過PID控制(zhi)算💋法處(chu)理♌後的(de)輸出量(liang)，又是被(bèi)控對象(xiang)的輸入(ru)量，因此(ci)模拟PID控(kòng)制器的(de)控制規(gui)律爲：

其(qí)中，K_P 爲模(mó)拟控制(zhi)器的比(bi)例增益(yì)，T_I 爲模拟(ni)控制器(qì)的積分(fen)時間常(cháng)數，T_D 爲模(mo)拟控制(zhi)器的微(wei)分時間(jiān)常數。