模糊PID控制器的FPGA实现

摘要

自从PID控制器问世以来，它的发展非常迅速，而且应用也越来越广泛，特别是在工业控制行业的运用。原因是其优点很多，比如稳定性比较好，结构相对简单，工作比较可靠，而且便于调整。随着其广泛的应用，对于比较复杂的系统，其控制性能不能满足要求。针对常规PID控制器的不足，将模糊控制与PID控制器结合，特别是模糊PID控制器与FPGA相结合，使得设计软硬件结合，PID控制器性能有所提高。
　　 本文主要研究采用FPGA实现模糊PID控制器。研究分为两个部分，第一部分是对PID控制器的FPGA的实现:设计实现了FPGA配置电路;将二进制计数器与寄存器内部的数据进行比较实现PWM模块的设计;在介绍了PID算法实现的串行实现方法、并行实现方法、混合实现方法的基础上，采用并行结构实现方法，分别调用了乘法器和加法器两个模块，用VHDL语言进行了硬件的编程，最终完成PID控制器的FPGA实现。第二部分研究了模糊PID控制器的FPGA实现:首先从理论上模糊PID控制器进行了模块性的划分;其次运用QuartusⅡ6.0开发平台，引入IP核设计思想，采用VHDL语言对模糊化模块、解模糊模块、误差及误差变化量模块、隶属函数原始存储文件模块、控制规则查找表的寻址模块等模糊控制的核心模块进行了设计;最后对每个模块进行了仿真实现，对整个模块构成的模糊PID控制器进行了时序仿真和分析，验证了其可行性。
　　 模糊PID控制器的FPGA实现，可以提高控制器的可靠性，减少了开发周期，不需要外围设备电路，整个设计的成本得到一定程度的降低，在工业中具有广泛的推广应用价值。

目录

声明

摘要

1 概述

1．1 选题背景及意义

1．2 PID控制器的发展状况

1．2．1 PID概述

1．2．2 PID控制器的发展

1．3 FPGA的发展现状

1．4 论文主要内容

1．5 论文的结构

2 FPGA的开发基础

2．1 FPGA的结构和特征

2．1．1 FPGA的分类以及结构

2．1．2 LUT原理

2．1．3 FPGA的特征

2．2 开发流程

2．3 VHDL硬件描述语言

2．4 Quartus Ⅱ 6．0开发平台

3 由FPGA实现PID控制器

3．1 PID控制器系统组成

3．2 FPGA的选型

3．3 FPGA配置电路

3．4 SBWR温度变送模块的介绍

3．5 输出电路

3．5．1 PWM模块的实现

3．5．2 固态继电器GJIO-W的应用

3．6 时钟信号模块

3．7 人机接口

3．7．1 LED显示模块的介绍

3．7．2 4x4键盘输入模块

3．8 PID算法及其FPGA实现

4 模糊PID控制器的FPGA实现

4．1 模糊控制器结构及其设计方法

4．1．1 模糊控制器的结构

4．1．2 基于模糊控制器的组成

4．2 误差及误差变化量模块的设计

4．3 模糊隶属函数及知识库的设计

4．3．1 隶属函数的设计

4．3．2 控制规则查找表的寻址

4．4 模糊量化等级模块的实现

4．4．1 量化等级的考虑及仿真

4．4．2 模糊化的实现及仿真结果分析

4．5 解模糊模块设计片段

4．5．1 除法的实现

4．5．2 解模糊的仿真分析

4．6 模糊PID算法整体模块的实现及其仿真

4．6．1 模糊PID算法模块的FPGA实现

4．6．2 算法模块的仿真

结论

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果