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基于QuartusII的数字PID控制模块设计与仿真

第30卷 第5期 吉首大学学报(自然科学版)Vol.30 No.5 2009年9月Journ al of Jishou University(Natural Science Edition)Sept.2009

文章编号:1007-2985(2009)05-0064-03

基于Quartus II的数字PID控制模块设计与仿真*

苏 珊1,杨艳玲2

(1.广西工学院电子信息与控制工程系,广西柳州 545006;2.柳州职业技术学院,广西柳州 545005)

摘 要:针对基于常规微处理器的数字PID控制器在环境恶劣的情况下出现程序跑飞,笔者介绍了一种基于Quartus II的数字P ID控制器的实现方法,该模块是直流电机转速控制器中最核心的模块,采用软件平台Q uar tus 与DSP Builder 结合的方法设计了PI D控制模块,并给出了仿真结果,从而验证了数字PID控制器的算法正确性.

关键词:P ID控制;Quart us II;位置式PI D

中图分类号:T P214 文献标识码:A

PID控制是工业过程控制中被广泛采用的一种控制方法,在计算机技术普及的今天,P ID控制技术得到了进一步的完善.基于微处理器的数字PID控制器改变了传统模拟PID控制器参数整定不灵活的问题.但是常规微处理器容易在环境恶劣的情况下出现程序跑飞,如果实现PID算法的微处理器因为干扰或其他原因而出现故障,会引起输出值的大幅度变化或停止响应.这种情况往往是生产实践中所不允许的,在某些场合还可能造成严重的生产事故.[1-3]

针对直流电机转速的控制这一广泛的问题,笔者采用FP GA设计P ID控制器,在其运行之初由外部微处理器提供P ID 参数的整定完成便处于独立运行状态,不再受微处理器的影响,以最大限度地克服了通过编程实现P ID控制器缺点.并以软件平台Q uar tus 与DSP Builder结合的方法,设计并实现了P ID控制模块.

1 数字PID控制算法

PID控制器是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的,在P ID控制算法中,现今应用最为广泛的、算法相对简单的当属数字PID控制算法.数字P ID控制是生产过程中被普遍采用的控制方法,具有参数能够灵活整定的特点.而根据执行元件及控制对象的特性不同,数字P ID控制算法通常又分为位置式PID控制算法和增量PID控制算法.为了在软件操作上更方便简单、结果观察更直观,笔者采用现今应用最为广泛的、参数能够灵活整定、算法相对简单的位置式PID算法,位置式PID算法为

u(k)=K p{e(k)+T s

T i

k

j=0

e(j)+

T d

T s

[e(k)-e(k-1)]}+u0.(1)

为了简化式子,设K i=K p T s/T i,K d=K p T d/T s,则(1)式变为

u(k)=K p e(k)+K i

k

j=0

e(j)+K d[e(k)-e(k-1)]+u0.(2)其中:u0为控制量的基值,即k=0时的控制;u(k)为第k个采样时刻的控制;K p为控制器比例放大系数;K i为控制器积分放大系数;K d为控制器微分放大系数;T s为采样周期;T i为控制器的积分时间;T d为控制器的微分时间.

2 PID控制器的设计

2.1PI D控制器实现方法的思路

对于PID控制模块,如果运用传统的M ax+plus 进行程序的编译、仿真,则很难辨别清楚其结果是否合理.因此,笔者

*收稿日期:2009-07-20

作者简介:苏 珊(1979-),女,广西柳州人,广西工学院电子信息与控制工程系讲师,主要从事ED A技术及数据通信技术研究;杨艳玲(1973-),女,广西荔浦人,柳州职业技术学院讲师,主要从事供配电及电气自动化技术研究.

借助于M atlab/DSP Builder 操作平台,在其上进行模块设计,然后在转化到Q uar tus ,进行整个FP GA 内部模块的综合、编译、仿真及硬件下载.M atlab/DSP Builder 是一个系统级(或算法级)设计工具,操作简单、结果观察直观,可以直接通过其输出波形来验证结果的正确与否,它架构在多个软件工具之上,并把系统级(算法仿真建模)和RT L 级(硬件实现)2个设计领域的设计工具连接起来,最大程度地发挥了2种工具的优势.

在用数字逻辑电路实现PI D 算法时,定点参数表示方法在运算中思路简单,实现容易,但同时也带来了弊端.如果用定点方式保存数据,其表示范围较窄,如果用固定的位数精确地表示3个P ID 参数,则需要设置许多位寄存器来保存,位数较少则会产生溢出,从而不能表示这小数.这样会使设计中参与运算的中间变量字节大大增加,处理算法的逻辑电路规模变大,F PGA 内部资源耗用增加.PI D 控制器的采样速度变快或变慢时,3个参数在数值上变化较大,保存这些参数的字长必须作相应的调整,固定字长的寄存器调整起来显然不太可能.借助于M atlab/DSP Builder 操作平台,在其上实现各参数的小数表示,之后转化到Quart us 上解决了上述所存在的弊端,同样实现了各参数的表示问题,

2.2PI D 控制器模块的绘制

借助于M atlab/DSP Builder 操作平台绘制PID 控制器模块如图1所示

基于QuartusII的数字PID控制模块设计与仿真

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图1 M atlab/DSP Builder 中的PID 模块设计图

输入量与反馈量相减便可求得偏差量,其中比例系数K p 与偏差量相乘得(2)式中的K p e(k)项;积分系数K i 与不断累加的偏差量相乘得(2)式中的积分累加项;微分系数K d 与差分偏差量相乘得到K d [e(k)-e(k -1)].图中累加模块则由延迟模块与加法模块构成,而Sco pe 则是一个波形观察窗口,可以从其波形来判断结果的正确与否以及实现PID 各参数的优化选择.

2.3PI D 控制器的参数整定

PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容,它是根据被控过程的特性确定PID 控制器的比例系数、积分时间、微分时间的大小.在工业过程控制中,要求被控过程是稳定的,对给定量的变化能迅速和光滑地跟踪,超调量小,在不同干扰下系统输出应能保持在给定值,控制变量不宜过大,在系统与环境参数发生变化时控制应保持稳定.

笔者采用实验凑试法来对P ID 控制器的参数进行整定,即通过闭环运行或模拟,观察系统的响应曲线,然后根据各参数对系统的影响,反复凑试参数,直至出现满意的响应,从而确定PID 控制参数.

2.4Q ua rtus 中PID 核心模块控制程序的仿真

设clo ck 为输入时钟信号,SP 是给定的对象直流电机速度输入值,FB 为速度反馈值,OU T PU T 为实际输出值,K P 为比例系数,K I 为积分系数,KD 为微分系数.

当假定速度输入值与反馈值都为定值6和2时,比例系数K P 设为0.5,积分系数设为0.25,微分系数设为0.5,从而验证(2)式:((6-2)!0.5+(6-2)!0.25+(6-2)!0.5)=5;当下一个上升沿到来的时候,则(4!0.5+(4+4)!0.25+0)=4,4即为偏差量.依次类推,整个PSD 算法波形仿真图如图2.

65第5期 苏 珊,等:基于Q uartus II 的数字P ID 控制模块设计与仿真

图2 整个PID 算法波形仿真图(输入为定值)

当输入为不定值时,同样验证是否满足(2)式,即(15-5)!0.5+((8-2)+(12-2)+(15-5))!0.25+((15-5)-(12-2))!0.5=11,输出为11,验证符合,如图3所示

基于QuartusII的数字PID控制模块设计与仿真

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图3 整个PID 算法波形仿真图形(输入为不定值)

3 结语

笔者设计的基于Q uar tus 的数字PID 控制器和用计算机程序实现的P ID 控制器相比,该设计不再使用程序解决算法,而是用数字逻辑电路来实现数字PID 控制算法,不存在程序跑飞或计算机误动作的问题.该控制模块可以作为整个控制系统的控制单元模块,也可通过FPG A 实现后将其嵌入在片上可编程系统中成为可编程系统中的一个智力产权核.参考文献:

[1] 禹柳飞,王 辉.比例微分增益模糊调整的PID 控制器[J].茂名学院学报,2002,12(3):5-7.

[2] 欧林林,顾诞英,张卫东.线性时滞系统的P 和P I 控制器稳定参数集[J ].上海交通大学学报,2006,40

(7):2012-2016.

[3] 潘新民.微型计算机控制技术[M ].北京:高等教育出版社,2002.

[4] 刘金琨.先进PID 控制及其M A T A L A B 仿真[M ].北京:电子工业出版社,2003.

[5] 刘志远,蔡 肯,白雁力.基于SIM U L IN K 的Fuzzy ?PID 控制器设计[J].韶关学院学报,2005,26(9):33-35.

Design and Simulation of Digital PID Controller Based on Quartus II

SU Shan 1,YANG Yan ling 2

(1.Elect ronic Infor matio n and Co ntr ol Eng ineering Depar tment,Guangx i U niv ersity of T echno lo gy ,L iuzho u 545006,

Guang x i China;2.V ocational T echnical Institut e o f L iuzhou,L iuzho u 545005,Guang x i China)

Abstract:Aiming at the shor tcoming of the digital PID controller based on m icroprocesso r,a design of PID controller based on Q uartus II is put forw ard.In this desig n,the PID co ntro ller is achieved by using softw ar e platfo rm Quar tus II and DSP Buider.The simulation r esults pro ve the algorithm of the PID con tro ller.

Key words:PID control;Q uartus II;lo catio n PID (责任编辑 陈炳权)66吉首大学学报(自然科学版)第30卷