高速模糊PID温度控制器的设计与实现

1、? 76?化工自动化及仪表第36卷研究与应用高速模糊PID温度控制器的设计与实现方鑫，党宏社（陕西科技大学电气与信息工程学院，西安710021）摘要：模糊2PD控制器由于其较高的精度与优良的动态响应性能而获得了广泛应用，实现方法多为基于单片机技术的软件实现，其实时性与抗干扰性能并不理想。采用EDA技术，以FPGA为基础，设计了一款硬件模 糊2PD控制器，很好地克服了软件实现方案的上述缺点。当采样温度与设定值的差值在一定范围内时，采用经典PD控制以消除系统的动态误差；当差值大于某一范围时，采用模糊控制以获得可靠的控制精度。通过Verilog仿真分析，证明了其上述优点，具有较高的实用价值。关键词：

2、FPGA;模糊控制；PD控制；复合控制T亿皆4矿匹 p % %山备曲 "A 吧中图分类号：TP273文献标识码：A 文章编号：1000 23932 （2009）0620075 203飞、 . j|1弓|言度。ee'u的模糊域分别为 E、E和U1。原理示意图如图2所示。i殳定值I工业控制引入模糊2PD控制器已经有较长的 时间。模糊"ID控制器采用了模糊技术与常规PID控制算法相结合的技术，既能获得较高的精度，又具 有良好的动态响应性能，因此应用广泛。但是，一般1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing

3、House. All rights reserved. ? 76?化工自动化及仪表第36卷的模糊2PID控制器大多采用基于单片机的软件实 现，实时性较差、抗干扰能力不强。文章采用了 EDA技术，以FPGA为基础，设计 了一款模糊NID控制器,与上述软件实现的方案相 比，具有较好的实时性与抗干扰能力，对于高速工业 控制领域,具有较高的应用价值。2模糊NID复合控制器的设计思想, /?7讹控对彖获捌控制器屮 '1图1模糊PD复合控制器结构示意图模糊PD复合控制器的整体结构如图 1 所示。 当采样温度与设定值的差值在一定范围内时 ，采用 经典PD控制以消除系统的动态误差；当差值大于 某一范围

4、时，采用模糊控制以获得可靠的控制精度。 二者的选择由外接的数据选择器实现。控制器在运行过程中由全局时钟精确控制 ，每 一个时钟周期对目标进行一次数据采集、分析与控 制，并根据控制原理来选择控制方式，从而使被控对 象具有良好的动、静性能。3模糊PID复合控制器的硬件实现3.1模糊控制器的算法设计模糊控制器采用两变量输入（差值e与差分值 e'）单输出（控制值u）的方式，以提高控制精度与速图2模糊控制器原理示意图对偏差E、偏差的变化率E '及输出控制量U的 模糊子集及其论域定义如下：E E，和U的模糊子集 均为NB,NM,NS, ZO, PS, PM, PB,子集中元素分 别代表负大

5、、负中、负小、零、正小、正中、正大；E、E ' 和U的论域均为 - 3, - 2, - 1, 0, 1,2,3;取它们的 模糊子集NB为Z形隶属度函数，PB为S犬隶属度函 数，其余的模糊子集均为三角形隶属度函数。通过M atlab仿真得到控制器的响应表，并制定出针对E、 E '和U三个参数的模糊控制规则表，如表1所示。表1模糊规则控制表NBNMNSZOPSPMPBNBNBNBNMNMNSNSZONMNBNMNMNSNSZOPSNSNMNMNSNSZOPSPSZONMNSNSZOPSPSPMPSNSNSZOPSPSPMPMPMNSZOPSPSPMPMPBPBZOPSPSPMPMP

6、BPB3攵稿日期：2009209203（修改稿）基金项目：陕西省科学技术厅工业攻关项目（2008K05 2?6）;温州市科技计划项目（H20080002 ）;陕西科技大学研究生创 新基金资助项目模糊控制器的前端数据处理分为量化和微分。由于数字电路无法进行微分计算，因此将微分运算 转换为相应的差分运算实现，模糊控制器将误差 E 的范围-6,6投射到模糊论域的0上；将范围7, 12投射到模糊论域1上，-12, - 7投射到-1 上；将范围13,18投射到模糊论域的2上，-18, -13投射到-2上;将范围19, +投射到模糊论域3上，(-19投射到-3。输出量化因子根 据控制经验取Ku = 4。3

7、.2模糊控制器的硬件实现3. 2. 1模糊控制器的硬件结构设计模糊控制器的设计主要包括模糊规则的制定、模糊论域的选择和解模糊化。如图3所示，由前端模块计算采样温度与设定值的差值及采样值变化 率，输出至后端；后端模块进行论域投射、规则判定 与解模糊化，完成控制值的输出。图3模糊控制器硬件结构图3.2.2模糊控制器的硬件设计控制器设计采用自底向上设计方法2。首先，将前端模块采用 Verilog语言描述，减法 器Quartusll开发环境能够自动生成，但是差分器无 法采用此方法。因此设计时采用移位寄存器与减法 器组合的结构设计成二阶差分器，差分器结构如图 4 所示。移位差分器实现如下计算公式：e&#

8、39; - e( k) - e( k - 1) - e(k - 1) - e(k - 2)=e( k) - 2e( k - 1) + e( k - 2)(1)其次，设计后端模块时，先将模糊自然语言转换 为Verilog的IfElse描述语言，随后进行模糊推理， 推理完成后将根据推理结果的论域值输出，再乘以 Ku因子即可。最后，将以上设计并调试通过的各个模块进行 组合，完成模糊控制器的总体设计。总体模块结构 如图5所示。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ? 76?化

9、工自动化及仪表第36卷1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ? 76?化工自动化及仪表第36卷elkehiniyu3.OEITFIJT 04吁申誣此Ikcaiysng7._0| ee7.0r|7 .X) rrlu ny u3 .A).0rfll7s.0j1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ? 76?化工自动化及仪表第36卷1994-2010

10、 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ? 76?化工自动化及仪表第36卷ins I.图5模糊控制器设计完成图1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ? 76?化工自动化及仪表第36卷1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. ? 76?化工自

11、动化及仪表第36卷图5中Fuzzy模块为前端模块，Fuzzy2为后端模 块。clk为全局时钟,掌控工作频率;sheding7. 0 为设定值输入；caiyang7. 0为采样值输入；e与ec 分别为差值与差值变化率输出；control 7. 0 为最 终控制输出u。4 PID控制器的硬件实现经典PD控制规律为：1 t 门de( t)u(t) =kPe(t) U *0 +kD dt (2)式中：kP比例系数;kI积分时间常数； k>微分时间常数。当采样周期短时，采用上述数字处理方法，利用 求和代替积分，差代替微分，将描述连续时间PD算法的微分方程离散、差分得到增量式PID控制算法3。如式(

12、3)、式(4): u(k) = kP e( k) - e( k - 1 ) + ke(k) + kD e ( k)-2e(k - 1) + e(k - 2) (3)u(k) = u( k - 1) + u (k)(4)归并处理后可得： u (k) = q0e(k)+e( k - 1) + 毆 e (k-2)(5)式中：qo = kP 1+ 卫；C1 = kP1 + 2玉；q.=TiTsTsTdkp Ts从式(5)可以看出,增量式数字PD算法，只要储 存最近的三个误差采样值e(k)、e(k- 1)、e(k- 2)就1994-2010 China Academic Journal Electron

13、ic Publishing House. All rights reserved. 第6期马金祥.利用串口实现 AVR单片机ISP功能的一种方法? 81?足够了。增量式数字PID算法结构如图6所示。图6增量式数字PD算法结构图为了设计方便，乘法器与加法器均采用Altera公司 在Quartusll开发环境中提供的宏功能模块实现。由于 所有的宏功能模块均经过Altera公司严格验证以取得 最好的运算速度，因此，此方法设计可以提高系统处理 速度4。在模糊控制器设置过程中，移位差分器存储 的三个误差值可以直接提供给PID控制器,无需再次 处理，最大化利用硬件资源。设计完成的数字增量式 PID控制器如

14、图7所示。Ipni.inullOrldj1aa|7.O|7yx risull| I S.-O:J 3 处丿Si呂nH、d m lijI | i pl i catj on;t lnkreaultl I3.O:Signediiil5muhipl iifi'al ion J山IpnimnllZ:rh(H47.0j| resi.il1113.Signed nnil I ipl it力 I iuindala2xl 3u.Oj +i. ii st 3图7 PID控制器原理图最终的控制输出可选择为PID与模糊控制 同时输出，或者采用数据选择器按照一定条件选 择其中一路信号输出，这些可以在现场实际应用

15、 中选择。5系统总体硬件仿真所有的部件设计完成并调试通过之后 ，按照自 底向上的设计思路组合所有模块，进行测试与仿真 仿真结果如图8所示。1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第6期马金祥.利用串口实现 AVR单片机ISP功能的一种方法? 81?1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第6期马金祥.利用串口实现 AVR单片机ISP功能的一种方法

16、? 81?图8模糊PD控制器时序仿真波形图1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第6期马金祥.利用串口实现 AVR单片机ISP功能的一种方法? 81?图 8中 , elk 为系统总时钟,caiyang与 sheding分 别为采样值输入与设定值输入 ,control与controlpid 分别为模糊控制器输出与 PD控制器输出。从图中 可以看到，模糊控制器在-6, 6之外的范围工作， PID控制器仅在差值e = - 6, 6时工作，并且两个 控制器完全按照模糊控制规则

17、表与数字增量 PD控 制规则输出了控制值，完全实现了两个控制规则。硬件模糊P D控制器的优势在于实时性好5。 从图8可以看出，每一次的控制完成均在微秒级别， 对于任何的高速控制场合，模糊PD控制器均可胜 任。因此具有广泛的应用前景。6结论基于FPGA硬件实现的模糊控制器对于需要高速控制的场合都具有较好的适应性；不具有常见的基于单片机软件控制器的程序跑飞、死机等缺点，具 有较好的抗干扰性能。对于化工工业控制领域，有较好的应用价值。参考文献：1 张友鹏，范子荣.基于自适应模糊PD控制器的非线性系统仿真J.计算机仿真,2007, 24(6): 150 - 152.2 MAREK J, PATYRA,

18、 JANOS L, et al. Hardware mplementa2 tions of D igital Fuzzy Logic Controllers J . Informati on Sci2 ences,1999, 113: 19 - 54.3 李明河,王 萌,施艳艳.基于动态神经网络在线辨识的PD控制J .微电子学与计算机,2008, 25(3) : 43 - 46.4 董秀洁，杨 艳,周 游.FPGA/CPLD选型与设计优化J.化工自动化及仪表,2009, 36(3) : 60 - 63.下转第81页)(1) 在“Chip ”寸话框中选择待编程的目标器件 的型号。(2) 对fla

19、sh存贮器操作时，先在“ File ”对话框 中选择flash目标程序文件，然后对flash存贮器进 行擦除、编程或校验操作。也可以对目标器件的 flash存贮器进行读操作。(3) 对EEPROM存贮器进行操作时,先在 “File”对话框中选择 EEPROM目标程序文件，然后对EEPROM存贮器进行擦除、编程或者校验操作。 而且也可以对目标器件的EEPROM存贮器进行读操作。(4) 用户还可以对目标器件的熔丝位进行相应 的配置。5有关问题的说明(1) 串口 ISP编程电缆中监控芯片 ATti ny 2313 使用外部晶振4 MHz,在对其加载监控程序时应对 系统时钟熔丝位进行正确的配置。(2)

20、 如果目标板上的AVR单片机为ATmaga64/103/128/1281 /2561,串口下载编程电缆插头的M I2SO、MOSI应分别与目标板单片机的PDOPDI相连接。(3) 本文只是提出了实现AVR单片机串口 ISP 功能的一种方法，对于编程电缆的监控芯片还可以选择其它AVR单片机(如ATmega8)。(4) 支持串口编程电缆的编程软件还有双龙在线编程软件和其它一些编程软件。有些编程应用软 件既能支持串口下载电缆，又能支持并口下载电缆， 用户可以根据需要在编程应用软件中灵活设置2。(5) 在使用编程应用软件时，每次最好只打开 这些应用软件中的其中之一。否则 ，可能出现端口 冲突的现象，影

21、响编程质量。参考文献：1 马 潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践M .北京:北京航空航天大学出版社,2007.2马金祥.利用并口实现AT89S系列单片机ISP功能的一种方法J.电气自动化,2007, 29 (6) : 52 - 54.1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第6期马金祥.利用串口实现 AVR单片机ISP功能的一种方法? 81?1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.

22、All rights reserved. 第6期马金祥.利用串口实现 AVR单片机ISP功能的一种方法? 81?A method for realizing the ISP Functi on of AVR Single M icrocontroller by Using Serial PortMA Jin2xiang(Yanling School, Changzhou Institute of Technology, Changzhou 213002, China)Abstract: The singlem icrocontroller in AVR Serieswas issued byA

23、TMEL recently provided a serial peripheral inter2 face (SPI) , with which could program through computer parallel port or serial port to its in ter nal programmemory. In fact, to realize the function of in systemp rogrammable (ISP) in AVR single m icrocontroller by using computer serial port is to f

24、orce signal wave needed by the single microcontroller, achieving the AVR single microcontroller pro2 grammed by computer. The ISP principle of theAVR singlem icrocontroller was introduced, and a method to realize it by using computer serial port was discussed,also the p rogramming cable chart, commu

25、nication protocol and program2 ming sofware were givenKey words: serial programming; AVR singlem icrocontroller; ISP(上接第77页)5 CABRERA A , S#NCHEZ 23DLANO S, BROX P, et al Hard2ware /Softw are Codesign of Configurable FuzzyControl SystmsJ. App lied SoftComputing,2004, 4(3) : 271 - 285.Design and Im plementation of H igh2speed Fuzzy PID Temperature Con trollerFANG Xin, DANG Hong2she(College of Electronic and Information Engineering, Shaanxi U niversity of Science and Technology,Xi'an 710021, China)Abstract: Fuzzy2PD con troller has bee n used widely because of its high accuracy a nd good d