VHDL-AMS在控制系统分析与设计中的应用-设计应用

精品文档-下载后可编辑VHDL-AMS在控制系统分析与设计中的应用-设计应用1引言

EDA是现代电子系统设计的关键技术。硬件描述语言VHDL以其“代码复用”(codere-use)远高于传统的原理图输入法等诸多优点，逐渐成为EDA技术中主要的输入工具。然而，基于IEEEVHDLStd1076-1993标准的VHDL只用于描述数字电路。因而从理论的完整性和方法的统一性方面来说，这无疑是一个缺点。为此，IEEE于1999年发布了IEEEVHDLStd1076.1标准，扩展了VHDL对模拟电路及混合信号系统的描述和仿真能力。1076标准和1076.1标准所定义的硬件描述语言，称为VHDL-AMS。

PID控制是早发展起来的控制策略之一，其算法简单、鲁棒性好、适用性强，广泛应用于过程控制和运动控制中，特别适用于可建立数学模型的确定性系统中。

本文介绍VHDL-AMS的新概念和新特性。通过对PID控制原理进行数学分析，建立PID控制器的数学模型，实现PID控制器的VHDL-AMS行为级建模，并进行仿真分析。

2VHDL-AMS的新特性

集总参数连续时间系统的行为描述通常是用微分／代数方程组来进行描述，即：

F(x，dx／dt，t)=0

其中F是表达式的向量形式，x是未知变量的向量形式，dx／dt是未知变量的向量形式的导数(包括一阶导数和高阶导数)。在VHDL-AMS语言中新增的个概念是用于定义表示微分／代数方程组中的未知量的关键字量(Quantity)。量是浮点的标量类型，在VHDL-AMS中可以在任何可以用信号signal描述的地方出现。

VHDL-AMS中新增加的第二个概念是端点(terminal)，用于定义守恒系统端口的端点及内部的端点。端点可以在任何可以用信号signal描述的地方使用，而且端点还可以作为实体的接口允许在PORT语句中使用。

IEEEStdVHDL1076.1补充了一类新语句，即用于描述连续系统行为的联立语句。联立语句的格式为：

[标号：]表达式==表达式

联立提供了表示微分／代数方程的方法，可以直接描述系统输入、输出间的关系或守恒系统中的支路方程。通过求解联立语句中的微分／代数方程组，从而解出满足方程组的量的解。

另外，在VHDL1076的基础上，VHDL-AMS新增了16种预定义属性，可以分为四类：数据类型类、容差类、量类和信号类。这些新增的预定义属性使得VHDL-AMS具有更为强大的行为描述能力。例如，预定义属性LTF(num，den)／ZTF(num，den)用于建立模拟／离散量的Laplace／Z域传递函数，其中num、den分别为分子、分母多项式的系数。LTF／ZTF属性对主要以传递函数为分析和设计的控制系统建模变得非常方便。

3VHDL-AMS控制系统分析和设计的应用

在模拟控制系统中，控制器常用的控制规律是PID控制。模拟PID控制系统原理框图如图1所示。系统由模拟PID控制器和被控对象组成。

PID控制器主要由三部分组成：比例环节，积分环节和微分环节。其中比例环节反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一量产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差；积分环节主要用于消除静态误差，提高系统的无差度；微分环节反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减少调节时间。

PID控制器是一种线性控制器，根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差：

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

PID的控制规律为：

式中kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。

将式(2)写成传递函数的形式：

设定忌kP=60，TI=60，TD=0.05，由式(3)可对PID控制器建模如下：

SystemVision是MentorGraphics公司开发的支持VHDL-AMS的Windows集成开发环境。在SystemVision环境下，由文中的VHDL-AMS程序建立PID控制器模型，并以二阶线性传递函数为被控对象，建立图2所示的仿真分析系统。

设给定信号r(t)=Asin(2πft)，其中A=1.0，f=0.2Hz，仿真时间为50S。仿真得到PID控制器的正弦响应波形如图3所示。

设给定信号r(t)为单位阶跃信号ε(t)，仿真时间为0.1S。仿真得到锁相环的波形如图4所示。

由仿真结果可以看出，PID控制器控制过程快速、准确、平稳，具有良好的控制效果。还可进一步调整PID参数，分析相关参数对控制性能的影响。

4结语

VHDL-AMS突破了VHDL只能设计数字系统的限制，在控制、机电等多域系统(Multl_descriplinessyst