简述基于FPGA的温度模糊自适应PID控制器的设计.pdf
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1、cheng基于基于FPGAFPGA的温度模糊自适应的温度模糊自适应 PIDPID控制器控制器的设计的设计2010-01-22 10:19:17作者:郭敏 秦刚 刘洋来源:电子设计工程1 1 引言引言温度是工业生产过程中一个主要的被控参数。目前,大多采用常规 PID 控制器实现对温度的控制。PID 控制器具有结构简单、易于实现且鲁棒性好、可靠性高等优点,对可建立精确数学模型的定常系统具有很好的控制效果,但由于实际温度控制系 统工况复杂、参数多变、大惯性、大滞后,常规 PID 控制器难以对其高精度进行控制。模糊控制鲁棒性强,无需被控对象的精确数学模型,只依赖于操作人员的经 验知识及操作数据,非常适
2、用于控制非线性、时变和滞后系统,但其静态性能较差,因此应用范围受很大限制。针对这些问题,这里提出一种基于 FPGA 的温度模糊自适应 PID 控制器设计方案,该方案将传统 PID 控制与现代模糊控制相结合,应用模糊推理方法实现对 PID 参数的自动整定。由此,经 MATLAB仿真验证该控制算法的可行性,将其应用于恒温箱的温度控制。该控制器对恒温箱控制系统的控制效果明显优于常规 PID 控制器。2 2 模糊自适应模糊自适应 PIDPID 控制原理及结构控制原理及结构模糊自适应 PID 控制基本原理:以误差 e 和误差变化 ec 作为输入,运行中不断检测 e 和 ec,并利用模糊规则进行模糊推理,
3、查询模糊矩阵表调整参 数,满足不同时刻的 e 和 ec 对 PID 参数自整定的要求,利用模糊规则在线修改 PID参数,以使被控对象具有良好的静态、动态性能。模糊自适应 PID 控制系 统结构如图 1 所示。常规 PID 控制器作为一种线性控制器,其离散的控制规律为:chengcheng对于系统被控过程中不同的|e|和|ec|,PID 参数 Kp、KI、KD 的自整定原则如下:(1)误差|e|较大时,为加快系统的响应速度,使系统具有快速跟踪性能,应取较大 Kp 和较小 KD。同时,为了防止积分饱和。避免系统超调过大,应限制KI或使其为零。(2)误差|e|和|ec|中等时,为使系统超调较小,应取
4、较小 KP,适当 KI 和 KD,特别是 KD 的取值对系统响应影响较大(一般取值较小)。(3)误差|e|较小时,为使系统具有较好稳态性能,应取较大 KP 和 KI。同时,为避免系统在平衡点附近出现振荡,应取合适的 KD 值。|ec|较大时,取较小 KD;|ec|较小时,取较大 KD。考虑到上述原则,在该设计中,模糊控制器采用2 输入,3 输出的结构。以误差 e 和误差变化 ec 作为输入,经量化和模糊化处理后,查询模糊控制规则 表,得到模糊输出量 KP、KI、KD,再经解模糊和量化因子输出精确量,并将该输出量与传统 PID 相结合输出系统的控制量。输人语言变量 e 和 ec 以及输出 语言变
5、量 KP、KI、KD 的模糊集论域均设为-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6,取相应论域上的语言值为 NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB。考虑到对论域的覆盖程度及灵敏度,鲁棒性和稳定性等原则,各模糊子集隶属度函数均采用三角形隶属函数。模糊规则采用“if e is A and ec is B then KP is C and KI isD and KDis E”的方式,控制器参数模糊推理过程采取 Mam-dani 直接推理法,“与”运算采用极小运算,“或”运算采用极大运算,模糊蕴含运算采用极小运算,模糊规则综合采用极大运算,去模糊化采用重心法且其计算公式为:根据
6、PID 参数调整原则,输出量 KP、KI、KD 一轮决策将最多涉及 147 条推理规则。3 3 恒温箱温度控制系统硬件电路设计恒温箱温度控制系统硬件电路设计温度控制目前大多采用以单片机或 CPU 为核心的控制系统,这些以软件控制和运算的系统相比于硬件系统速度要慢、实时性差且可靠性低。FPGA 作为一种新型的数字逻辑器件,具有集成度高、可重复编程、逻辑实现能力强、设计灵活等特点,使用其内部逻辑模块单元实现所需功能,各个 模块并行运行,这使得系统运算速度快、实时性强。与传统的基于 CPU 并行计算不同,FPGA 内部结构真正实现并行计算,不是宏观上并行而是微观上分时运 算。chengcheng该设
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