1.引言

在(zai)許多現代化(hua)的工業生産(chǎn)如冶金、電力(li)等，實現對溫(wēn)度的精度控(kong)制至關重要(yao)的，不僅直接(jie)影響着産品(pǐn)的質量，而且(qie)還關系到生(sheng)産安全、能源(yuán)節約等一系(xi)列重📱大經濟(jì)指标。

PID控制由(you)于其魯棒性(xing)好，可靠性高(gao)，在常規的溫(wēn)度控制中應(yīng)🆚用非常廣泛(fàn)。目前工程的(de)實際應用中(zhong)，大多👣數模🐇糊(hu)PID控🤟制器都利(lì)用單片機軟(ruǎn)件編程來實(shí)現，然而單片(pian)機的指令是(shi)按順序執行(hang)的，實㊙️時性不(bú)強，加上軟件(jian)實現容易受(shou)外界的幹⛹🏻‍♀️擾(rǎo)，抗幹擾性能(néng)力差，對于實(shí)時性☎️要求很(hen)高和外界幹(gan)擾比較嚴重(zhong)的系統不太(tài)适宜。本文選(xuǎn)取FPGA(現場可編(bian)程門陣列)作(zuò)爲系統的主(zhu)控❓制芯片，FPGA所(suo)有的信号都(dou)是時鍾驅動(dong)的，對于程序(xu)的執行具有(yǒu)🔆并行運算的(de)能力🍉，顯著的(de)提高了系統(tǒng)控制的實時(shí)性，在FPGA内部硬(ying)件實現還可(kě)以防☎️止像單(dān)片機程序⭐一(yī)樣，在惡劣的(de)環境條🔱件下(xià)發生🐇程序跑(pǎo)飛的問題。尤(yóu)其是現在FPGA器(qi)件有越來越(yue)多的參考設(shè)計方案以及(jí)IP(知識産權)核(he)心庫方面的(de)支持🌂。利用FPGA設(shè)計🏃🏻的PID控制器(qi)一方面可以(yǐ)将實現✏️PID算法(fa)的模塊單獨(du)作爲控制模(mó)塊來使用，直(zhi)接💚去實現對(dui)控制對象的(de)調節，另一方(fang)面，基于FPGA的PID控(kòng)制算法也可(kě)以将其作爲(wei)系統内的IP核(hé)，以便在多路(lù)或複雜的系(xì)統上🏃‍♀️直接調(diào)用，加快研發(fa)設計速度。

2.PID算(suan)法分析

2.1 離散(sàn)PID算法

PID控制系(xi)統是一個簡(jian)單的閉環系(xì)統，如圖1所示(shì)，PID系統框圖中(zhong)，整個系統主(zhu)要包括比較(jiào)器、PID控制器和(hé)控制對象，其(qí)中PID包括三個(gè)環節，即比例(lì)、積分和微分(fèn)。

圖1 PID系統框圖(tú)

圖1中的r(t)作爲(wèi)系統的給定(ding)值，y(t)作爲系統(tǒng)的輸出值，e(t)是(shì)給定值與輸(shu)出值的偏差(chà)，所以系統的(de)偏差可以求(qiú)♻️得：

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

u(t)作爲控制(zhi)系統中的中(zhong)間便量，既是(shi)偏差e(t)通過PID控(kòng)制算法🐕處理(li)後的輸出量(liang)，又是被控對(dui)象的輸入量(liang)，因此模拟PID控(kong)制器的控🛀🏻制(zhi)規律爲：

其中(zhong)，K_P 爲模拟控制(zhì)器的比例增(zeng)益，T_I 爲模拟控(kong)制器的積分(fèn)時間常數，T_D 爲(wei)模拟控制器(qì)的微分時間(jiān)常數。