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FPGA 技术是一种强大且高度灵活的 PID 控制器实
现方法。由于 FPGA 器件拥有大量的并行资源,
可为同步运算提供多个比例积分微分(PID)实例。
此外,FPGA 还能够在不影响此前设计的其它 PID 的性能的
情况下,根据应用需求,灵活添加更多 PID 环路。如果在新
型赛灵思 Zynq -7000 All Programmable soC 的可编程逻
辑(或架构)中实现 PID,可以获得更多新的优势,因为功能
强大的板上 ARM ® Cortex 双 A9 核处理系统可以直接利用
FPGA 的功能。
但是,FPGA 器件一般要求使用 VHDL 或 Verilog 等寄存
器传输级(RTL)设计语言,这可能与控制工程师的知识背景
存在一定的差距,会妨碍 FPGA 技术的使用。为消除这种差距,
赛灵思新推出 Vivado 高层次综合(HLs)设计工具。这种工
具能够将 C、C++ 或 system C 设计规范转换为 RTL 实现方案,
以便综合到赛灵思 FPGA 中。这种转换只需要对常见的 C 或
C++ 代码稍作调整,因此不会造成严重的知识脱节。
另外,近年来电气驱动器和机器人也正在设法进军联网控
制系统的范畴,这类联网系统在配备有通信信道的环路中使用
PID。在这类应用中,FPGA 实现的确定性和速度占巨大优势。
0 0
w(n)
但是由于还是需要与软件通信协议栈互动,系统架构师和控制
工程师往往牺牲性能来换取全软件实现。庆幸的是,Vivado 提供
了一种更简单、更通用的实现方法,可避开这种取舍。Vivado 只需
通过把 C 或 C++ 代码重新映射到 Zynq-7000 All Programmable
soC 器件的 FPGA 架构上,就可以显著改善已开发出的联网
控制系统的性能。
一种无所不在的器件
+
+
e(n)
PID(z)
PID
基本上所有自然和人为的控制系统均采用 PID 或其变体
up
u
lo
Saturation
A s k F A E - x
PI(比例积分)或 PD(比例微分)来反馈。大型工厂使用成
千上万的 PID 控制器来监控其化学或物理工艺。在汽车和运
输系统中,PID 用于控制和保持发动机速度,确保平稳制动和
控制众多转向功能;在电机中,PID 用于控制电机的电流和力
矩;而在机器人中,PID 则用于驱动和稳定机器人的手臂或腿
部的轨迹。PID 无处不在,就连医疗系统中也有其身影,例如
用于控制 I 类糖尿患者的人工胰腺,模仿天然胰岛素分泌特征。
实际上生物系统自身也使用反馈来控制刺激反应,比如说视网
膜系统适应光照的过程。
典型的反馈控制系统由设备(即待控制的机械或电气系统)
和 PID 控制器组成。数模(D/A)转换器将控制输出转换为适
当的设备输入,而模数(A/D)转换器则将设备的输出转换为
反馈信号。图 1 是 PID 工作原理图。简单地说,PID 控制器
将负责处理传感器测出的设备输出值 y(n) 和基准输入值 w(n)
之间的信息差 e(n),也称为“误差”,然后对系统的激励器进
行校正,以达到所需的命令输出值。PID 的每一个部分都对应
一种特定的行为,或称为“模式”。P 行为根据误差的大小驱
动控制器输出 u(n)。I 行为消除稳态偏移,但可能会降低瞬态
响应速度。D 行为负责评估趋势,预测输出校正,从而提高系
统的稳定性,减少过冲并改善瞬态响应。
没有反馈控制的系统被称为开环,其传输函数(系统输入
映射到输出的方式)的相移在单位增益下不得超过 180°。开
环的相位滞后度和单位增益下的相移(180°)之间的差异被
称为“相位裕量”。系统增益和相移一般表达为拉普拉斯转换
的模拟域 s,或者 Z 转换的离散域 z。假定 P(z) 和 H(z) 分别
为设备和 PID 控制器的离散转换函数,则整个闭环系统的转
换函数可表达为:
2012 年冬季刊 赛灵思中国通讯 46 期 33
y
u(n)
图 1 - 闭环中的一般离散控制系统
1
z+0.5
y(n)
1