1.引言

在(zài)許多現代化的工業生産如冶金、電力等，實(shí)現對溫度(dù)的精度控制至關重要的，不僅直接影響(xiǎng)着産品的質量，而且還關系到(dào)生産安全、能源節(jiē)約等一(yī)系列重大經濟指标(biāo)。

PID控制(zhì)由于其魯棒性好，可靠性高，在常規的溫度控制中應用(yòng)非常廣泛。目前工程的實際應用中，大多數模糊PID控制器(qì)都利用單片機軟件編程來實現，然而單片機的指令(lìng)是按順序執行的，實時性不強，加上軟件實現容易受外界(jiè)的幹擾，抗(kàng)幹擾性能力差，對于實時性要(yào)求很(hěn)高和外界幹擾比較嚴重(zhòng)的系統不(bú)太适宜。本(běn)文選取FPGA(現場可編程門陣列)作爲系統的主控制芯片，FPGA所有的信号都是(shì)時鍾驅動的，對于程(chéng)序的執行具有并行(háng)運算的能力，顯著的(de)提高了系統控制的實時性，在FPGA内部(bù)硬件實現還可以防止像單片機程(chéng)序一樣(yàng)，在(zài)惡劣的環境條件下發生(shēng)程序跑飛的問(wèn)題。尤其是現(xiàn)在FPGA器件有(yǒu)越來越多的參考設計(jì)方案以及IP(知識産權)核心庫方面的支持。利用(yòng)FPGA設計的PID控制器一方面可以将實現PID算法的模塊單獨作爲控制模塊來使用，直接去實現對(duì)控制對象的調節，另一方面，基于FPGA的PID控制(zhì)算法也可(kě)以将其作爲系統内的IP核，以便在多(duō)路或(huò)複雜(zá)的系統上直接調用，加快(kuài)研發設計速度(dù)。

2.PID算法(fǎ)分析

2.1 離散PID算法

PID控制系統是一個簡單的(de)閉環系統，如圖1所示，PID系統框圖中，整個系(xì)統主(zhǔ)要包括比較器、PID控(kòng)制器和控制對象(xiàng)，其中PID包括三(sān)個環(huán)節(jiē)，即比例、積分和微分(fèn)。

圖1 PID系統框圖

圖1中的r(t)作爲系統的給定值，y(t)作爲系統的(de)輸出(chū)值，e(t)是給定值與輸出值的(de)偏(piān)差，所以系統的偏差(chà)可以求得：

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

u(t)作爲控(kòng)制系統中的中間便量，既是(shì)偏差e(t)通(tōng)過PID控制算法處理後的輸(shū)出量，又是被控對象的(de)輸入量，因此模拟PID控制器的控制規律爲：

其中(zhōng)，K_P 爲模拟(nǐ)控制器的比例增益，T_I 爲模拟控(kòng)制器的積分時間常數，T_D 爲模拟控制器的微分時間常(cháng)數。