1.引(yin)言

在許多(duō)現代化的(de)工業生産(chan)如冶金、電(diàn)力等，實現(xiàn)對溫度的(de)精度控制(zhì)至關重要(yao)的，不僅直(zhi)接影響着(zhe)産🏃‍♀️品的質(zhi)量，而且還(hái)關系到生(sheng)産安全、能(néng)源節約等(deng)一系列重(zhong)大經濟⛹🏻‍♀️指(zhǐ)标。

PID控制由(yóu)于其魯棒(bang)性好，可靠(kao)性高，在常(cháng)規的溫度(du)控制中應(ying)用♊非常廣(guang)泛。目前工(gōng)程的實際(ji)應用中，大(da)多❓數模⁉️糊(hú)PID控制器😍都(dōu)利用單片(piàn)機軟件編(biān)程來實現(xiàn)，然而單片(pian)㊙️機的指令(lìng)是按✨順序(xu)執行的，實(shí)時性不強(qiang)，加上軟件(jiàn)實現容易(yì)受外界的(de)幹擾，抗幹(gan)擾🏃🏻性能力(lì)差，對于實(shí)時性要求(qiú)很高和外(wai)界幹擾比(bi)🌈較嚴重的(de)系統不太(tai)适宜。本文(wén)選取FPGA(現場(chǎng)可編程門(men)陣列)作爲(wèi)系統的主(zhu)控制芯片(pian)☔，FPGA所有的信(xin)号都是時(shi)鍾驅動的(de)，對于🌈程序(xu)的執行具(jù)有并行運(yun)算的能力(lì)，顯著的提(ti)高了系統(tǒng)控制的實(shí)時性，在FPGA内(nei)部硬件實(shi)現還可🎯以(yǐ)防止像單(dān)片機程序(xù)💜一樣，在💁惡(e)劣的環境(jing)條件下發(fa)生程序跑(pao)飛的問題(tí)。尤其是現(xian)在FPGA器件有(you)越來越多(duō)的🙇🏻參考設(shè)計方案以(yi)及IP(知識🐆産(chǎn)權)核心庫(ku)方面的支(zhī)持。利用FPGA設(shè)計的PID控制(zhi)器一方面(miàn)可以🐇将實(shi)現PID算法的(de)模塊單獨(du)作爲控👉制(zhì)模塊來使(shi)用，直接去(qu)實現對控(kòng)制對象的(de)調節，另一(yī)方面，基于(yú)FPGA的PID控制算(suàn)法也可以(yi)将其作⛷️爲(wei)系統🤟内的(de)IP核，以便在(zài)多路或複(fu)雜的系統(tong)上🐆直接調(diào)用，加快研(yán)發設計速(su)度🏃。

2.PID算法分(fen)析

2.1 離散PID算(suan)法

PID控制系(xi)統是一個(gè)簡單的閉(bi)環系統，如(rú)圖1所示，PID系(xi)統🈚框🤞圖中(zhōng)，整個系統(tǒng)主要包括(kuo)比較器、PID控(kòng)制器和控(kong)制對象，其(qí)中PID包括三(sān)個⛱️環節，即(ji)比例、積分(fèn)和微分。

圖1 PID系統框(kuàng)圖

圖1中的(de)r(t)作爲系統(tong)的給定值(zhí)，y(t)作爲系統(tǒng)的輸出值(zhí)，e(t)是給定🌂值(zhí)💯與輸‼️出值(zhí)的偏差，所(suǒ)以系統的(de)偏差可以(yi)求🐪得：

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

u(t)作爲(wèi)控制系統(tong)中的中間(jian)便量，既是(shi)偏差e(t)通過(guò)PID控制算法(fǎ)處理後的(de)輸出量，又(you)是被控對(dui)象的輸入(ru)量，因此模(mó)🚩拟PID控制器(qi)的控制規(gui)📧律爲：

其中(zhong)，K_P 爲模拟控(kong)制器的比(bi)例增益，T_I 爲(wèi)模拟控制(zhi)器的積分(fèn)時間常數(shù)，T_D 爲模拟控(kong)制器的微(wei)分時間常(chang)數。