1 引言
溫度是工業(yè)生產(chǎn)過程中一個主要的被控參數(shù),。目前，大多采用常規(guī)PID控制器實現(xiàn)對溫度的控制,。PID控制器具有結(jié)構(gòu)簡單,、易于實現(xiàn)且魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點,，對可建立精確數(shù)學模型的定常系統(tǒng)具有很好的控制效果,，但由于實際溫度控制系統(tǒng)工況復雜、參數(shù)多變,、大慣性,、大滯后，常規(guī)PID控制器難以對其高精度進行控制,。模糊控制魯棒性強,，無需被控對象的精確數(shù)學模型，只依賴于操作人員的經(jīng)驗知識及操作數(shù)據(jù),，非常適用于控制非線性,、時變和滯后系統(tǒng)，但其靜態(tài)性能較差,，因此應用范圍受很大限制,。針對這些問題，這里提出一種基于FPGA的溫度模糊自適應PID控制器設(shè)計方案,，該方案將傳統(tǒng)PID控制與現(xiàn)代模糊控制相結(jié)合,，應用模糊推理方法實現(xiàn)對PID參數(shù)的自動整定。由此,，經(jīng)MATLAB仿真驗證該控制算法的可行性,，將其應用于恒溫箱的溫度控制。該控制器對恒溫箱控制系統(tǒng)的控制效果明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制器,。
2 模糊自適應PID控制原理及結(jié)構(gòu)
模糊自適應PID控制基本原理：以誤差e和誤差變化ec作為輸入,，運行中不斷檢測e和ec，并利用模糊規(guī)則進行模糊推理,，查詢模糊矩陣表調(diào)整參數(shù),，滿足不同時刻的e和ec對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),，以使被控對象具有良好的靜態(tài),、動態(tài)性能。模糊自適應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：
對于系統(tǒng)被控過程中不同的|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，為加快系統(tǒng)的響應速度,，使系統(tǒng)具有快速跟蹤性能,，應取較大Kp和較小KD。同時,，為了防止積分飽和,。避免系統(tǒng)超調(diào)過大，應限制KI或使其為零,。
(2)誤差|e|和|ec|中等時,，為使系統(tǒng)超調(diào)較小，應取較小KP,，適當KI和KD,，特別是KD的取值對系統(tǒng)響應影響較大(一般取值較小)。
(3)誤差|e|較小時,，為使系統(tǒng)具有較好穩(wěn)態(tài)性能,，應取較大KP和KI。同時,，為避免系統(tǒng)在平衡點附近出現(xiàn)振蕩,，應取合適的KD值。|ec|較大時,，取較小KD,；|ec|較小時，取較大KD,。
考慮到上述原則,，在該設(shè)計中，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,。輸人語言變量e和ec以及輸出語言變量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}，取相應論域上的語言值為{NB,，NM,，NS，ZO,，PS,，PM，PB},?？紤]到對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)模糊推理過程采取Mam-dani直接推理法,，“與”運算采用極小運算,，“或”運算采用極大運算，模糊蘊含運算采用極小運算,，模糊規(guī)則綜合采用極大運算,，去模糊化采用重心法且其計算公式為：
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
溫度控制目前大多采用以單片機或CPU為核心的控制系統(tǒng),，這些以軟件控制和運算的系統(tǒng)相比于硬件系統(tǒng)速度要慢,、實時性差且可靠性低。
FPGA作為一種新型的數(shù)字邏輯器件,，具有集成度高,、可重復編程、邏輯實現(xiàn)能力強,、設(shè)計靈活等特點,，使用其內(nèi)部邏輯模塊單元實現(xiàn)所需功能,，各個模塊并行運行，這使得系統(tǒng)運算速度快,、實時性強。與傳統(tǒng)的基于CPU并行計算不同,，F(xiàn)PGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)真正實現(xiàn)并行計算,，不是宏觀上并行而是微觀上分時運算。
該設(shè)計采用Ahera公司的Cyclone系列FPGA器件EP1C12為核心控制器來測量與控制恒溫箱內(nèi)溫度,。通過鍵盤向FPGA輸入設(shè)定溫度,，現(xiàn)場溫度參數(shù)由熱電偶傳感器轉(zhuǎn)換成電動勢信號，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換和濾波后,，將實時的數(shù)字測量值送入FPGA,。FPGA將比較溫度的設(shè)定值與測量值，經(jīng)模糊自適應PID控制算法運算處理后,，輸出相應控制信號,，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)的液晶顯示用于實時顯示控制系統(tǒng)的當前溫度值,、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等用于實現(xiàn)存儲空間的擴展,。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一方面通過內(nèi)部的雙口RAM與其內(nèi)部的硬件邏輯控制模塊進行通訊,，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,。
模糊自適應PID控制模塊是整個控制系統(tǒng)的核心，可實現(xiàn)模糊參數(shù)自整定PID控制算法,。為便于實現(xiàn)計算機的實時控制,，采用離線計算，在線查表方式,。如有需要,，只需重新修改控制算法模塊，并重新配置FPGA,，就可實現(xiàn)控制算法升級,。FPGA內(nèi)部各硬件邏輯控制模塊均通過VHDL硬件描述語言編程實現(xiàn),。VHDL是一種自上而下的設(shè)計方法，具有優(yōu)秀的可移植性,、EDA平臺的通用性及與具體硬件結(jié)構(gòu)的無關(guān)性等特點,。與用常規(guī)順序執(zhí)行的計算機程序不同，VHDL根本上是并發(fā)執(zhí)行的,，這在很大程度上可提高自適應PID溫度控制系統(tǒng)的處理速度,，有效提高設(shè)計效率，改善溫度控制效果,。
4 嵌入式軟件設(shè)計
基于NIOS軟核CPU的嵌入式軟件設(shè)計采用C語言編寫完成,，該嵌入式軟件設(shè)計主要實現(xiàn)人機交互和模糊自適應PID控制模塊監(jiān)控兩部分功能，總體流程如圖4所示,。
溫度控制系統(tǒng)上電啟動后,，首先初始化系統(tǒng)，然后模糊自適應PID控制模塊讀雙口RAM1獲得控制器的初始參數(shù)信息,，并進行控制運算,，根據(jù)運算所得結(jié)果在顯示屏上顯示當前溫度控制系統(tǒng)的參量及溫度變化曲線等當前狀態(tài)信息，同時將這些實時控制參數(shù)及狀態(tài)信息寫入雙口RAM2保存,，NIOS軟核處理器再由RAM2中讀取數(shù)據(jù),，獲得模糊自適應PID控制模塊的當前狀態(tài)信息。若由鍵盤重新輸入新的溫度設(shè)定值,，則當系統(tǒng)讀取到該值時,，自動查詢模糊控制規(guī)則表修改雙口RAM1中的配置參數(shù)值，重新代入模糊自適應PID控制模塊進行運算,，并將新的參數(shù)值及系統(tǒng)實時狀態(tài)信息寫入雙口RAM2保存且反饋給NIOS軟核,；若無鍵盤輸入。則系統(tǒng)狀態(tài)保持不變,。
5 溫度模糊自適應PID控制系統(tǒng)仿真
利用MATLAB的simulink和Fuzzy logic toolbox工具箱仿真模糊自適應PID溫度控制系統(tǒng),，圖5為其仿真模型。在此,，假定以恒溫箱為被控對象的傳遞函數(shù)為：[0.15,，(80s+1)]exp(-2s)模糊自適應PID和傳統(tǒng)PID仿真比較，結(jié)果如圖6所示,，可看出模糊自適應PID控制比傳統(tǒng)PID控制的調(diào)節(jié)時間短,，響應速度快，超調(diào)量小,，系統(tǒng)的動,、靜態(tài)性能均有提高。
6 實際運行結(jié)果及存在問題
設(shè)定恒溫箱的目標溫度為80℃，系統(tǒng)運行中的調(diào)節(jié)時間為400 s,，超調(diào)量為5％,，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行時加入階躍干擾信號，經(jīng)約300 s后系統(tǒng)重新趨于穩(wěn)定,，且在此過程中產(chǎn)生的波動較小,。
因此，對于具有大慣性,、大滯后等特點的溫度控制系統(tǒng),，基于FPGA的溫度模糊自適應PID控制器可取得良好的控制效果且自適應能力強。但在控制器的應用過程中仍存在一些問題,，如模糊規(guī)則和隸屬函數(shù)的優(yōu)化,、系統(tǒng)抗干擾性能的增強等,。因此,，仍需進一步完善和修改該控制系統(tǒng)。
7 結(jié)論
該設(shè)計基于高密度的可編程邏輯器件FP-GA,，在傳統(tǒng)PID控制器的基礎(chǔ)上利用模糊控制的優(yōu)點控制恒溫箱的溫度,。結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)具有良好的動,、靜態(tài)性能和魯棒性能,，對參數(shù)時變具有很好的適應能力，實時計算量小,，調(diào)校方便,，且具有良好的升級性能和靈活性。市場應用前景較好,。