（控制理论与控制工程专业论文）基于模糊控制的pid算法的炉温控制器设计与仿真研究.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 l i i i iiiii i i i1 11 11 1i iq l l l y 1 7 3 9 6 5 9 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：阻日期豳玎四 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 一 一笙 赳戤纽 名名期 签签者师作教文导 论指日 【一 武汉科技大学硕士学位论文第l 页 摘要 p i d 控制器是工业过程控制中最常见的一种过程控制器模糊控制可改善p i d 控制参 数难以整定的问题。本文将e d a 技术与控制理论相结合，以f p g a 为核心，提出了一种 模糊自整定p i d 算法的炉温控制器。由于p i d 算法有一定的并行性，该方案充分发挥了 e d a 技术的优势，由硬件描述语言实现的硬件电路解决了快速、并行运算的问题，从而实 现高速的p i d 控制。 本文首先介绍了p i d 控制器的发展动态，引入模糊理论，介绍了e d a 技术和f p g a 的开发流程。本文采用自项向下的方法根据p d 运算步骤分割模块，然后利用硬件描述语 言实现各模块功能，并进行仿真。本文详细阐述了实现模糊控制的全过程，包括模糊量化、 模糊推理、解模糊等步骤，用离线计算和在线查表的方法完成模糊控制器的设计，最后利 用模糊p i d 控制器控制p w m 的输出占空比来控制可控硅的导通时间，设计出了一套基于 f p g a 的模糊p i d 温度控制器。f p g a 的使用避免了其它微处理器在恶劣条件下程序跑飞、 程序死循环、复位不可靠等问题，同时加强了模块的通用性，减少了系统硬件开发周期， 降低了设计开发成本。 关键词：f p g a ；硬件描述语言；p i d ；模糊控制 第1 l 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t p i dc o n t r o l l e ri st h em o s tc o m m o n l yu s e dp r o c e s sc o n t r o l l e ri ni n d u s t r i a lp r o c e s sc o n t r 0 1 t h ef u z z yc o n t r o lc a nh e l pa d j u s tt h ep a r a m e t e r so ft h ep i dc o n t r o la l g o r i t h m i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，af u r n a c et e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rb a s e d0 nt h ef u z z yp i da l g o r i t h mi s d e t a i l e d i n t r o d u c e da c c o r d i n gt oe d a t e c h n o l o g i e sa n dc o n t r o lt h e o r i e s d u et ot h ep a r a l l e l i s mo f t h ep i d a l g o r i t h m ，t h i sd e s i g nm a k e su s eo ft h ea d v a n t a g e so fe d at e c h n o l o g i e s t h eh a r d w a r ec i r c u i t t h a ti sc a r r i e do u tb yh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ec a ns o l v et h ep r o b l e m so fh i g hs p e e da n d c o n c u r r e n tc a l c u l a t i o n ，t h u sm a k e st h eh i g h s p e e dp i dc o n t r o lc o m et r u e i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h e d e v e l o p m e n to ft h ep i dc o n t r o l l e r i s f i r s t l yi n t r o d u c e d l a t e r o n ，f u z z yt h e o r yi si n t r o d u c e d ，t h e ne d at e c h n o l o g ya n dt h ed e s i g np r o c e s u r eo ff p g aa r e d e m o n s t r a t e d t h ep i da l g o r i t h mi sd i v i d e di n t os e v e r a lm o d u l e sb yt h et o p - d o w nm e t h o d e a c h m o d u l ei sc a r r i e do u ta n ds i m u l a t e db yt h eh a r d w a r ed e s c i r p t i o nl a n g u a g e t h ew h o l ep r o c e s u r e o ff u z z yc o n t r o li n c l u d i n gf u z z yq u a n t i z a t i o n ，f u z z yd e d u c ea n df u z z yd e c o d i n gi sd e t a i l e d l y e l a b o r a t e d t h ed e s i g no ff u 硒c o n t r o li sm a i n l yc o m p l e t e db yt h em e t h o d s o fo f f l i n ec a l c u l a t i o n a n do n l i n el o o k - u pt a b l e e v e n t u a l l y , p w mo u t p u tc o n t r o l l e db yt h ef u z z yp i dc o n t r o l l e rc o n t r o l s t h eb r e a k - o v e rt i m eo ft h et h y r i s t e r d e s i g n i n go nf p g ac a ni m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h ec o n t r o l a n da v o i ds o m ep r o b l e m s ，l i k ep r o g r a m m ef l e e t ，d e a dl o o pa n da b n o r m a lr e s e t ，w h i c ha c c u l t o o t h e r m i c r o p r o c e s s o r s i tn o to n l ye n h a n c e st h ev e r s a t i l i t yo ft h em o d u l ea n d r e d u c e st h e h a r d w a r ed e v e l o p m e n tc y c l e , b u ta l s or e d u c e st h ec o s to ft h ed e s i g n k e yw o r d s ：f p g a ；h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ；p i d ；f u z z yc o n t r o l 武汉科技大学硕士学位论文第1 i l 页 目录 摘要i a t s 1 【a i ：t i i 第一章概述。l 1 1 选题背景及意义。l 1 2 p i d 控制器简介与发展动态2 1 3 模糊理论概述3 1 4 未来f p g a 技术的发展趋势。4 1 4 1 研究f p g a 的必要性。4 1 4 2 从可编程逻辑器件发展看f p g a 未来趋势。5 1 5 本课题的主要研究工作和内容及结构安排5 第二章e d a 技术和f p g a 开发基础7 2 1 e d a 及相关技术。7 2 1 1e d a 技术的产生背景7 2 1 2 可编程逻辑器件7 2 1 3 硬件描述语言8 2 1 4 p l d 开发软件q u a r t u si i 一9 2 2f p g a 的开发流程和器件选型1 0 2 2 1f p g a 的开发流程10 2 2 2 f p g a 器件选型。一1 2 第三章f p g a 实现p i d 算法13 3 1p d 控制算法的原理1 3 3 1 1 连续p i d 算法1 3 3 1 2 离散p i d 算法1 4 3 1 3p i d 控制的参数调节1 5 3 2 f p g a 实现p i d 算法的v 舐l o g 设计1 6 3 2 1误差模块j 1 6 3 2 2 乘法器设计。17 3 2 3p m 求和模块1 9 第四章模糊控制器的f p g a 实现2 2 4 1 输入量、输出量的模糊量化2 2 4 2 数据库的建立及模糊推理2 4 4 3 解模糊模块2 5 第五章控制系统设计2 8 第1 v 页武汉科技大学硕士学位论文 5 1f p g a 配置电路2 8 5 2热电偶。3 0 5 3m a x 6 6 7 5 集成芯片3l 5 4 p w m 模块。3 4 第六章全文总结3 6 参考文献3 7 攻读硕士学位期间发表的学术论文柏 致谢。4 l 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 1 1 选题背景及意义 第一章概述 温度是现代工业控制中非常重要的控制参数之一，在很多行业和领域中，人们都需要 对各类加热炉的温度进行检测和控制。随着科技的进步和社会的发展，人们对温度控制的 速率和精度的要求越来越高。加热炉需要消耗大量热能或电能，不合理或不精确的检测和 控制会导致生产出不合格的产品甚至废品，导致生产成本的增加、生产效率的降低。而且 伴随着能量的大量损失、加重对环境的污染，不符合“环境友好型，资源节约型”的良好发 展模式。现在有很多企业采用常规仪表加接触器的断续控制，但随着电子技术的发展，智 能化温度控制装置被越来越多的应用在温度控制领域，由于其性能强、体积小、价格低， 智能化温度控制装置已成主要温度控制装置之一。 实现控制的关键在于如何才能用更好的算法较准确、较快的控制被控对象。p i d 控制， 即比例积分微分控制【l 】【2 1 ，由于其鲁棒性好，可靠性高，所以p i d 控制在常规控制中得到 广泛的应用。 随着科学技术的进步和发展，特别是微处理器和智能控制的实际应用，为新型控制方 法的研究提供了良好的平台和广阔的空间，在计算机上设计p i d 控制便成为了现实。例如， 价格低廉、发展相当成熟的单片机早已成为实现自动控制的核心芯片之一，设计者将控制 程序烧进单片机，达到对被控制对象的控制。 p i d 算法诞生早，凭借其无可替代的优越性，一直是工业控制的主流算法之一，成为 经久不衰的经典算法，工业控制领域的“常青树”。但是，在某些复杂的工业控制系统中，大 滞后、时变性、非线性等因素的出现，人们很难或者无法获得准确的数学模型，常规的p i d 算法便很难整定其l ( p ，飚和i 殂这三个参数，控制结果不甚理想。模糊理论p 】的出现，很 好的解决了上述问题。实现模糊控制的核心在于制定模糊规则，模糊规则可由专家的经验 和知识，操作员的操作模式和学习等方式获得，所以模糊控制不拘泥于准确的数学模型， 可根据操作员经验的积累修改模糊规则，模糊算法也是随着实际使用而完善自身的过程。 利用模糊控制调整p i d 的三个参数可以解决常规p i d 控制器的参数调整难的问题。将模糊 控制和p i d 控制相结合【4 】【5 1 ，既保留了p i d 控制的经典特性，又改善了p i d 控制参数的调 整效果，从而整个系统的控制效果得到质的提升。 目前，很多控制算法是在单片机上实现的。由于单片机是顺序执行的，运行速度慢， 而p i d 算法有一定并行性，所以单片机并不是实现模糊p i d 算法的最佳方案，但单片机价 格低廉的优势依然存在，在要求不太高的系统中仍然使用单片机。当系统要求高速数据采 集时，我们会发现单片机已不能满足要求，因为单片机时钟频率较低，人们会马上想到d s p ， 但d s p 提高速度的同时，也提高了系统的成本。本文将介绍使用f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l e 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 g a t ea r r a y ，现场可编程门阵列) 实现模糊p i d 算法的炉温控制器，在功能及扩展性上， 均强于以单片机为核心的系统。 f p g a 与单片机相比，优势如下【6 j ： ( 1 ) 编程方式先进。f p g a 采用先进的j t a g i s p ( 在系统编程) 和i c r ( 在线路重配置) 技术，无需编程器，对任何f p g a 器件都通用，这种先进的编程方式很可能成为将来的可 编程器件的技术标准。有的单片机还在采用编程器，严重降低了开发效率。 ( 2 ) 运行速度快。f p g a 有多个时钟配置，并且内部集成锁相环，可以把外部时钟倍 频，从而显著提高f p g a 的时钟频率，使得的运算速度远远超过单片机，时钟延时可达到 纳秒级，所以f p g a 特别适用于超高速领域和实时测控领域。而单片机运行速度低的多， 在高速场合，f p g a 扮演着单片机无法替代的角色。 ( 3 ) f p g a 采用硬件描述语言编程，该类语言设计的硬件电路具有并行运算能力，所 以，f p g a 有处理更复杂功能的能力。在f p g a 上，不同逻辑可以并行执行，这种同时处 理不同任务的能力使得f p g a 有更广阔的应用前景。单片机程序是串行执行的，执行完一 条才能执行下一条，严格服从执行程序的优先级，在处理突发事件时只能调用有限的中断 资源，这也是f p g a 运算速度远高于单片机的另一个原因。 ( 4 ) 高可靠性。f p g a 可以将整个系统放在一个芯片上，大大缩小了体积，易于管理 和屏蔽。电压不稳、电磁场干扰、复位不可靠等都会引起单片机程序跑飞，为防止程序跑 飞有时还需要外加看门狗。使用f p g a 进行设计，不会受到上述问题所干扰。 ( 5 ) 管脚多，容易实现大规模系统。f p g ai o 口众多，一般在1 0 0 个以上，可以方 便连接多个外设，有很强的扩展性。对于相对复杂的系统，单片机则要进行仔细的资源分 配，对于更复杂系统，单片机甚至无法胜任。 ( 6 ) 开发工具和设计语言标准化。f p g a 的设计开发所用的是符合国际标准的硬件描 述语言v h d l 和v e r i l o gh d l 等，设计者可使用它们在不同可编程逻辑器件上完成硬件设 计。著名的f p g a 开发平台q u a r t u s 适用于a l t c r a 公司所有型号的f p g a ，所以设计成功 的各类逻辑功能块源程序有很好的兼容性和可移植性，让设计者节省了开发时间。而不同 的单片机使用不同的开发平台和下载工具，例如普通5 1 单片机和a v r 单片机使用不同的 开发平台，甚至连编程语法也略有不同，给单片机开发者带来了很大的麻烦。 ( 7 ) 有大量口核，可进行二次开发。妒核的加入让f p g a 能模拟其它芯片，让f p g a 成为“万金油”。例如，f p g a 甚至包含单片机和d s p 的口核，并且i o 口数甚至多于单片 机和d s p 的i o 口数，仅受f p g a 自身i o 口数的限制，换句话来说，f p g a 可成为比单 片机更强大的单片机，所以，只要是单片机和d s p 能实现的功能，f p g a 一般都能实现。 p i d 控制器简介与发展动态 p i d 控制，即比例一积分一微分控制，是控制领域最常见的控制算法之一。在针对于 某一控制对象时，可能由于微分项对控制效果影响甚微，故可以省去微分项，从而简化p i d 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 控制算法。p i d 控制历史悠久，即使科技高速发展的今天，p i d 控制依然被广泛应用于工 业控制中，可见p i d 控制的优越性。p i d 控制具有以下原理简单、使用方便、适应性强、 鲁棒性强等优点。 p i d 控制器经历了从模拟p i d 控制器发展到数字p i d 控制器的过程，大部分数字p i d 控制器是基于单片机开发的，在单片机上用软件方法实现p i d 控制器。p i d 算法有一定的 并行性，然而单片机的程序是顺序执行的，显然达不到最佳的控制效果。f p g a 的出现为 p i d 控制器设计提供了另一种选择，f p g a 上实现的硬件电路具有并行运算能力，而且运 算速度远远高于单片机，还避免了单片机在恶劣条件下程序跑飞、程序死循环、复位不可 靠等问题。f p g a 内部有耐7 j ( 知识产权) 核心库的支持，用户可以利用这些预定义和预 测试的软件模块在f p g a 内迅速实现系统功能。s o p c ( 片上可编程系统) 是最近热门的 技术，f p g a 技术很好的支持了s o p c 的开发，设计者可以在这些支持s o p c 技术的f p g a 器件上直接进行s o p c 的开发【s 】【9 1 。在利用f p g a 设计p i d 控制器时，有两种可选择的方 案：一种方案是把p i d 控制作为单独的控制器模块，用原理图输入或硬件描述语言来完成 设计；另一种方案是把p i d 控制器嵌入到s o p c 中，成为一个内核。 1 3 模糊理论概述 模糊，顾名思义，就是“不清晰”的意思。人类对世界的认识，大部分都可以用语言来 表达，而语言中普遍存在的不确定的模糊性现象，对于这些模糊性的事物，不同的人对它 们的认识不同。比如“不要做危险的事情”，到底什么样的事情才算是“危险”的呢，某甲是 个男生，喜欢极限运动，在他眼里玩滑板不是危险的事情，而某乙是个女生，并且不会骑 自行车，他认为骑自行车就很危险了。下面我们看另一个例子，“肥胖的人应该多做运动” 这句话，就很难精确的定义出怎么样的人才算“胖”，多大的运动量才算“多做运动”，“胖” 的确定不仅与体重、身高有关，还与人对它的认识有关。象这类主观臆测性很强的观念， 计算机就很难处理。计算机一般采用机器码，即二进制，所以计算机只能描述两种属性， “非大o p d , ”，“非冷即热”。这种明确的属性在描述不确定、模糊的事物显得不是那么“准确” 了。 所谓的人工智能就是希望机器能像人一样思考，有着类似于人一样的思维，在不同的 环境做出不同的反应。然而二值思维的计算是做不到这一点的，人们便研究和发展了模糊 理论。模糊理论的思想就是找到一个途径，把人的认识、经验象语言一样描述出来，即模 糊规则，如“i fa ，t h e nb ”，以便能够将其运用于计算机，因为计算机熟悉这样明确的概念a 和b ，此时，计算机具备了学习能力，人的知识越渊博，经验越丰富，模糊规则便会越多， 计算机掌握的“知识和经验”也越多。可以说，模糊算法是人脑与计算机之间沟通的纽带， 是计算机获取“知识”的途径之一。 模糊理论正是为了研究诸如“胖”、“危险”等这类定义模糊的事物的，它的出现填补了 人们对这类问题研究的空白。随着模糊理论和模糊控制技术的发展，模糊控制被广泛应用 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 于家电行业和工业控制领域。模糊控制的信息来源是人的经验及对问题特性的掌握程度， 特别适用于难以建立数学模型的系统【l 们，它也为这类系统提供了较成熟的解决方案。 从理论角度上来看，从模糊理论诞生那天起，模糊理论有了长足的进步和发展，各方 面理论逐渐完善，人们经历了从不接受到接受的漫长过程。起初大部分学者并不接受模糊 理论，或认为模糊理论只有理论意义，并不能很好的指导实践，更不可能用在控制领域中 去。然而，经过科学家的不懈努力，不仅在理论上加以创新和完善，让更多看到了模糊控 制的可行性和潜在应用前景，而且成功的在工业过程中使用了第一个模糊控制器。尝到了 甜头的研究人员继续对模糊理论和模糊控制的探索和研丸2 0 世纪9 0 年代，特别是在同 本，模糊控制变成热门的名词，研究它的热潮空前高涨，各种模糊控制器被用于不同控制 领域。此后，对于模糊系统与模糊控制中的一些基本问题上的研究已经取得了可喜的进步 例如利用神经网络技术系统地确定隶属度函数及严格分析模糊系统的稳定性。虽然大家看 到模糊控制的优越性和巨大潜力，但大多数的方法和分析仍停留在初级阶段。所以要发展 模糊理论和模糊控制技术，仍然需要大量人才从事这方面研究，还有大量的工作要去完成。 当然，随着科学技术的发展和社会的进步，模糊理论还有广阔的发展空间【l 。 1 4 未来f p g a 技术的发展趋势 1 4 1研究f p g a 的必要性 随着f p g a 把更多的硬核集成在其内部，我们有理由相信f p g a 会成为一种功能强大、 集成度高、用途广泛的芯片。随着f p g a 的不断升级，硬件工程师们越来越关注f p g a 。 以前f p g a 大都应用在通信领域，现在在很多领域都能看到f p g a 的身影，可见，f p g a 逐渐被人们所认可，毫无疑问，越来越多的基于f p g a 的产品将在市场中出现，f p g a 开 发能力也会成为硬件工程师的基本能力之一。 在f p g a 等可编程逻辑器件诞生后，人们便有了新的设计思路，即用软件去实现硬件 的方法。随着 d l 、v 舐l o gh d l 等硬件描述语言的发展，工程师们可以用它们自由的 实现组合逻辑电路和时序逻辑电路。这种软件实现硬件的方法并不依赖于固定的器件，换 句话说，在资源充足的前提下，在一个器件上完成的设计，可以移植到其它f p g a 器件上。 而且，设计可以在硬件平台上继续进行。这种“软”设计的方法节省了开发周期，移值性好， 是将来电子设计的发展趋势。 每个工程师都希望自己设计的产品与众不同，并且比其它同类产品更多竞争优势，这 样才能受到消费者的青睐。不要指望在硬件上做到这点，因为你使用的芯片和其它分立元 件，别人也能得到，除非你开发的产品是国家保密产品。一旦你的产品受到市场的认可和 追捧后，大量的仿制品就会在短期内出现在市场。所以要将产品的区别建立在可编辑器件 智能上，保护有价值的i p ，这样你的对手便难于模仿，即使模仿成功，也需消耗大量时间， 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 你已经从中得到了大量的利润。即使完成产品的硬件开发，你也可以通过软“设计”进行创 新来为产品增值。而这些，都离不开可编程逻辑器件。 1 4 2 从可编程逻辑器件发展看f p g a 未来趋势 可编程逻辑器件1 1 2 】的发展经历了四个阶段： 第一阶段：从2 0 世纪7 0 年代初到7 0 年代中。早期的可编程逻辑器件的结构特别简 单，主要分为三种：p r o m ( 可编程只读储器) 、e p r o m ( 紫外线可擦除只读存储器) 和 e e p r o m ( 电可擦除只读存储器) ，由于功能和结构的限制，它们只能完成简单的数字逻 辑功能。 第二阶段：2 0 世纪7 0 年代中到8 0 年代中。这段时间为可编程逻辑器件的高速发展期， 多种不同结构的新型可编程逻辑器件层出不穷，其中包括p l a ( 可编程逻辑阵列) 、p a l ( 可编程阵列逻辑) 和g a l ( 通用阵列逻辑) ，然后这类器件被正式称为p l d 。这段时期 的p l d 在结构上比第一阶段的p l d 要复杂很多，能够完成各种逻辑运算功能。 第三阶段：2 0 世纪8 0 年代到9 0 年代末。美国的a l t e r a 公司l b 】开发了一款类似于p a l 结构的可编程逻辑器件，被称为c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 。1 9 8 4 年，同样在美国的 x i l i n x 公司【1 4 j 推出了f p g a ( 现场可编程逻辑阵列) 这一创新性的技术。它们都具有逻辑 单元灵活、集成度高等特点，都能用硬件描述语言来进行设计，后来的章节会介绍它们的 区别。 第四阶段：2 0 世纪9 0 年代末。这个阶段出现了s o c ( 片上系统) 和s o p c ( 可编程 片上系统) 技术，s o p c 本身就属于s o c ，整个系统在一个芯片内部完成，另外它是可编 程的，现在可利用q u a r t o si i 开发平台下s o p cb u i l d e r 进行s o p c ( 即芯片内部) 的硬件 设计，n o i si i 下可进行软件设计。x i l i n x 公司和a l t e r a 公司也都推出了带s o c 功能的f p g a 。 随着f p g a 的发展，其功能越来越强大，频率越来越高，工艺的发展使用f p g a 内部走 线宽度越来越窄，集成度进一步提高。f p g a 能内嵌很多复杂逻辑单元，如乘法器、晶振、 单片机等，已经不是传统意义上的f p g a 了。对于未来的展望，x i l i n x 公司高层透露，该 公司正在研制采用全新工艺的新型f p g a ，这种f p g a 将集成更大的存储单元和其他功能 器件，f p g a 正向超级系统芯片的方向发展，相信f p g a 的应用会得到更大的发展。 1 5 本课题的主要研究工作和内容及结构安排 本文将e d a 技术与控制理论相结合，以f p g a 为核心，用硬件描述语言和原理图输 入进行硬件设计，然后利用模糊自整定p i d 算法控制p w m 输出，最终达到控制炉温的目 的。论文共分六个部分： 第一章是概述。这章介绍了本论文选题的背景及意义，分析了p i d 控制器的发展动态， 引入模糊理论，预测了未来f p g a 技术的发展趋势。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章是e d a 技术和f p g a 开发基础。开头介绍e d a 及相关技术，包括可编程逻辑 器件、硬件描述语言、q u a r t u si i 开发平台。本设计是在f p g a 上开发的，论述了f p g a 的 开发流程和如何选型，并最终决定使用a l t e r a 公司的c y c l o n ei i 系列的e p 2 c 3 5 作为f p g a 芯片。 第三章是f p g a 实现p i d 算法。首先，通过连续p i d 公式推导离散p i d 公式。离散 p i d 公式有两种形式，位置式和增量式，本文采用的是增量式p i d 算法。然后，根据p i d 运算步骤分割模块，利用硬件描述语言实现各模块功能，并进行仿真，仿真结果满足设计 要求。 第四章是模糊控制器的f p g a 实现。介绍实现模糊控制的全过程，包括模糊量化、模 糊推理、解模糊等步骤，给出相应程序和仿真图，仿真结果令人满意。 第五章是控制系统设计。本章给出了整个控制系统组成，说明了f p g a 各配置电路的 特点，介绍了热电偶和m a x 6 6 7 5 集成芯片的操作方法以及p w m 模块。 第六章是全文总结。总结了本课题做的一些工作，提出将来在此基础上还可进行的其 它工作。 。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 第二章e d a 技术和f p g a 开发基础 2 1e d a 及相关技术 2 1 1e d a 技术的产生背景 电子系统集成化需求迫切。随着电子技术的发展，电子系统越来越复杂，相反的，人 们对便携性的需求却同益增高。所以，尽量采用少量的元件和面积尽可能小的p c b 板研 制高集成化的复杂系统，这些要求进一步促进了集成工艺的发展。快速推出新产品，比其 它公司更快的将新产品投入市场是获得更大市场份额和更大利润的有效途径。在2 l 世纪， 很多公司在加强研发实力和开拓市场的同时，还要重视对知识产权的保护。e d a 的出现很 好解决上述几个问题【l5 j 【1 6 j 。 2 l 2 可编程逻辑器件 可编程逻辑器件( p l d ) 是用来实现定制逻辑功能的，用户可自由配置的数字集成电 路。可编程逻辑器件可以利用其内部逻辑结构实现任何的布尔表达式或者寄存器功能。现 在，p l d 制造商已经能够供应集成度和性能比分离元件高，而单位功能成本低于分离元件 的可编程器件。可编程逻辑器件已经成为比分离元件以及类似专用集成电路的全定制或者 半定制器件更受欢迎的产品。 可编程逻辑器件按集成度可分为简单p l d 和复杂p l d ，如图2 1 所示。其中，简单 p l d 可细分为p r o m ( 可编程只读存储器) 、p l a ( 可编程逻辑阵列) 、p a l ( 可编程阵列 逻辑) 和g a l ( 通用阵列逻辑) ，复杂p l d 包括c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 和f p g a ( 现场可编程逻辑阵列) 。 图2 1p l d 的分类 第8 页 武汉科技大学 硕士学位论文 较晚出现的c p l d 和f p g a 集成度更高，功能更强大，可以实现较大规模、复杂的电 路，一片可以替代几十甚至上百块通用i c 芯片，具有可编程、系统方案容易改动的特点， 有利于二次丌发。因为数字逻辑、时序关系和芯片内部硬件连接关系的描述可以存放在 r o m 、p r o m 或e p r o m 中，所以可以在不改变c p l d f p g a 芯片及其外围电路的情况下， 换一片存储器芯片就能实现新的功能。因此，当c p l d 和f p g a 芯片一问世，就得到人们 的广泛关注。c p l d 和f p g a 的区别【1 7 】【1 8 】如表2 1 所示： 表2 1c p l d 与f p g a 的区别 c p l df p g a。 内部结构 p r o d u c t t e m l l o o k u pt a b l e 程序存储内部e e p r o ms r a m ，外挂e e p r o m 资源类型组合电路资源丰富 触发器资源丰富 集成度低高 使用场合完成控制逻辑能完成比较复杂的算法 速度慢快 其他资源e a b ，锁相环 保密性可加密一般不能保密 2 1 3 硬件描述语言 + 硬件描述语言是实现e d a 的编程语言，目前，使用最广泛的硬件描述语言是v h d l 1 9 1 和v e r i l o g h d l 。 ( 1 ) v h d l 2 0 世纪8 0 年代，美国国防部在一个项目开发中得到了灵感，他们想用文字和语言的 方式记录下完整的电路设计，就象人类语言一样，圈内人士可以认同这种标准，当看到这 种语言时，就能看到该语言对应的电路设计。很快的，v h d l 被i e e e 所承认，成为了工 业界的标准。随着时间的推移，v h d l 的标准也得到不断的修正和更新。 与其它硬件描述语言相比，v h d l 具有良好的可读性、可移植性，对设计的描述具有 相对独立性，拥有更强的行为描述能力，支持层次化设计，具有多层次描述系统硬件功能 的能力，具有支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能，从而决定了它成为系统设 计领域最佳的硬件描述语言之一。v h d l 拥有丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系 统的设计早期就能检查设计系统的功能可行性，随时可对设计进行时序和功能仿真。可以 利用e d a 工具进行逻辑综合和优化，并自动将v h d l 转化为门级网表。 ( 2 ) v e r i l o gh d l v a i l o gh d l 是在c 语言【2 0 】的基础上发展起来的，语法和c 语言极为相似。该硬件描 述语言由g d a ( g a t e w a yd e s i g n a u t o m a t i o n ) 公司所创造，但并没公开分表，后来，c a d e n e o 公司于1 9 8 9 年收购了g d a 公司，v e l i l o gh d l 理所当然的成为了c a d e n c e 公司的专利。 武汉科技大学 硕士学位论文第9 页 后来，v e r i l o gh d l 被i e e e 收录和标准化，即i e e e l 3 6 4 - 1 9 9 5 ，越来越多公司和设计人员 开始使用v e r i l o gh d l 。 v e r i l o gh d l 简单易学，特别对于学过c 语言或有c 语言开发经验的人，一般只需花 很短时间就能学习和熟悉它，不过要想熟练运用它，则需要经常编写代码和做实验，最好 能做几个实际的项目，通过实际项目开发，可以让f p g a 开发人员进一步了解和精通 v e r i l o gh d l 。 选择v h d l 还是v e r i l o gh d l ，初学者经常提出这样的问题。v e r i l o gh d l 语言的系统 抽象能力稍逊于v h d l ，而对门级开关电路的描述能力则优于v h d l 。观察一下两者的结 构，我们还可以发现，v h d l 的书写的规则比v e r i l o gh d l 烦琐一些，换句话说，v h d l 格式很固定，语法更严谨，对于v e r i l o gh d l ，其语法的自由度较高，但这样反而更容易 让初学者犯错。综合来看，两种语言的差别并不大，它们的描述能力也是相类似的。所以， 很多人在这两种语言中做出选择时，往往参考身边其他学习者的选择，以方便同后的学习 交流：纵观我国现状，v h d l 的参考书远远多于v e r i l o gh d l ，但随着越来越多的人开始 使用v e r i l o gh d l ，v e r i l o gh d l 的参考书也逐渐多起来。当然，如果您是集成电路( a s i c ) 设计人员，则必须首先掌握v e r i l o g ，因为在i c 设计领域，9 0 以上的公司都是采用v e r i l o g h d l 进行i c 设计。对于c p l d f p g a 设计者而言，两种语言可以自由选择。 2 1 4 p l d 开发软件q u a r t u si i q i j a r t u si i 是a l t e r a 公司的综合性p l d 开发软件【2 1 1 ，提供了完整的多平台设计环境， 能满足各种特定设计的需要。此外，q u a r t u si i 也是最近比较热门的s o p c ( 可编程片上系 统) 的专用开发软件q u a r t u si i 可以看成是m a x + p l u s l i 升级版，在原软件的基础增加了 一些新的功能，提供了对新器件和新技术的支持，比如更多第三方软件的支持，使用户可 以在设计过程中任何阶段使用第三方e d a 工具，为设计者提供了功能强大、更人性化的 设计平台。q u a r t u si i 提供了很多方便的设计方式，如原理图、v h d l 及v e r i l o gh d l 等硬 件描述语言的输入形式，使设计者能够轻松和全面的介入设计的每一个环节。 q u a r t u s1 1 支持a l t e r a 的i p 核，包含了l p m m e g a f u n e t i o n 宏功能模块库，用户可以 方便的调用库已有的模块再加以配置，如加法器、乘法器和配置内部晶振等，从而简单了 设计过程，缩短了开发时间。q u a r t u si i 自带仿真工具，并且建立仿真文件十分方便，仿真 文件和其它设计文件在一个工程下，调用便捷，q u a r t u si i 也支持第三方仿真工具，如 m o d e l s i m 等。 可以按照个人喜好调节q u a r t u si i 布局、菜单、命令和图标。对于习惯了m a x + p l u si i 的用户，q u a r t u si i 提供了很人性化的设置，用户可能通过自定义( c u s t o m i z e ) ，将q u a r t u s i i 的界面设置为和m a x + p l u si i 相似的外观和操作习惯( 如图2 2 所示) ，省去了用来习惯 新界面的时间。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 q u a r t u si i 的设计流程如图2 3 所示。由于其强大的设计能力和众多优秀第三方软件的 支持，越来越多e d a 设计者使用q u a r t u si i 进行e d a 开发。 广 i图形或i im l 编辑i 1一 圈匿固日 一商百 图2 3q u a r t u si i 设计流程 2 2f p g a 的开发流程和器件选型 f p g a 出现在2 0 世纪8 0 年代中期，具有区别于其它p l d 元件的结构【2 2 】，f p g a 由许 多独立的可编程逻辑模块组成，用户可以通过编程将这些模块连接起来实现不同的设计。 f p g a 具有更高的集成度、更强的逻辑实现能力和更好的设计灵活性。 f p g a 器件具有高密度、高速率、系列化、标准化、小型化、多功能、低功耗、低成 本，设计灵活方便，可无限次反复编程，并可现场模拟调试验证等特点。 2 2 1f p g a 的开发流程 当拿到一个f p g a 器件时，具体的开发流程是怎样的呢? 下面来看一下典型的f p g a 开发流程图，如图2 4 所示。 武汉科技大学硕士学位论文第l l 页 图2 4f p g a 典型开发流程 简单的说，基于e d a 工具的f p g a 开发步骤f 2 3 】【2 4 】是：首先，根据将要做的系统，有 一个全面的认识，如评估资源消耗情况等，选择一款性价比高的f p g a 芯片。整个系统的 设计采用自顶向下( t o p d o w n ) 的设计方法，如图2 5 所示，具体来说，把系统分为多个 模块，如有需要，再将一个模块分割成多个子模块，以此类推，是否需要再分或分割模块 的数目由具体系统和设计者来决定。这种设计方法思路清晰，当遇到复杂的系统时，可以 将不同模块分给不同设计者，可明显提高开发效率。设计输入时，可选择原理图输入的方 式，也可以采用v h d l 或v e r i l o gh d l 等硬件描述语言输入，还可以用原理图和硬件描述 语言相结合的方式【2 5 1 。在完成设计输入后，设计者可使用q u a r t u si i 自带仿真软件或第三 方仿真软件进行功能仿真，编译综合后，再对系统进行一次仿真，观察仿真结果是否与设 计期望达到的结果相同，如果不同，重新设计输入。如果得到理想的仿真结果，可进行布 局布线，然后进行时序仿真。最后，如果时序仿真也没有问题，把工程下载到芯片中，进 行板级仿真和硬件调试。 图2