基于FPGA的模糊PID控制器设计

摘要

PID控制算法自从被提出，就一直受到人们的广泛关注，它具有结构简单易实现、参数可现场调试等诸多优势。随着计算机技术的发展，数字PID控制算法的出现在很大程度上推动了 PID控制算法在工业控制中的广泛应用。在控制理论不断深入发展的过程中，PID控制算法也得到进一步的发展，模糊PID控制算法正是在此期间诞生，并逐步发展起来。这种模糊控制和PID控制相结合的算法不仅继承了PID控制的优点，同时也具有模糊控制灵活、适应性强等特点，为要求越来越高的现代工业控制提供一个良好的解决方案。
　　随着微电子技术的蓬勃发展，可编程逻辑器件FPGA逐步发展成熟，它具有集成度高、可并行计算、开发周期短以及开发成本低等特点。同时，结合EDA技术的不断完善，使得基于硬件的算法实现成为可能。因此，基于FPGA的模糊PID控制器潜力巨大、前景乐观，有望在控制领域推广开来。
　　本文在对当前模糊PID控制国内外研究现状进行了解的基础上，对其深入分析和研究。以柔性版印刷调压过程中的步进电机位置控制需求为背景，设计实现基于FPGA的模糊PID控制器。首先在MATLAB中建立了步进电机闭环控制系统仿真模型，进行了步进电机在模糊PID控制方式下的动态过程仿真。然后在仿真研究的基础上，结合FPGA自身特点设计了基于FPGA的步进电机模糊PID控制器，即在步进电机闭环控制系统中使用基于FPGA的模糊PID控制器完成对步进电机位置的控制。在整个控制器的设计中，使用单片FPGA芯片作为硬件平台，根据给定位置和光电传感器所反馈的步进电机位置之差e和其变化ec以及模糊控制规则，实时调整PIDk、k、k三个参数，并通过控制器产生频率可调的脉冲控制信号，实现了步进电机位置的精确控制。
　　在基于FPGA的控制器设计过程中，采用自顶向下的设计方法，使用Verilog HDL硬件描述语言在软件平台Quartus II上实现整个系统各功能模块的设计，并在Modelsim中进行功能仿真实验，验证了设计的正确性。最后搭建硬件实验平台，并进行现场环境下的测试，测试结果表明论文中基于FPGA的模糊PID控制器软、硬件设计的可行性。

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缩略语对照表

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3论文研究内容及组织结构

第二章 模糊PID控制器的基本理论研究

2.1传统PID控制

2.2模糊控制

2.3模糊PID控制

2.4本章小结

第三章 模糊PID控制器的应用设计及其MATLAB仿真

3.1两相混合式步进电机数学模型的建立

3.2模糊PID控制器在柔印调压系统中的应用及MATLAB仿真

3.3本章小结

第四章 模糊PID控制器的FPGA平台实现

4.1 FPGA程序设计

4.2模糊PID控制器的FPGA实现

4.3本章小结

第五章 模糊PID控制器的测试与分析

5.1测试平台总体方案设计

5.2测试平台硬件电路设计

5.3实验结果与分析

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1本文工作总结

6.2研究展望

附录A 模糊PID控制器顶层模块图

附录B 部分原理图

附录C PCB图

参考文献

致谢

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