如何使用FPGA進行快速浮、定點PID控制器的研究與實現(xiàn)

　　提出了基于FPGA 的快速PID 控制器技術(shù)，采用流水線運算方法，具有高速、穩(wěn)定、精確的實時控制性能，實現(xiàn)了速度和資源的優(yōu)化匹配。研究并分析了位置式PID 不同算式的特點，完成了浮、定點PID 控制器的硬件實現(xiàn)，提出了溢出、飽和等問題的解決方法，單次運算時間分別達480 ns、120 ns，并對兩種控制器的性能進行了分析和比較。設(shè)計了單精度浮點數(shù)和16 位定點數(shù)之間的轉(zhuǎn)換控制器，增強了浮點PID 的普適性。設(shè)計了基于FPGA 的全數(shù)字逆變焊接電源的實驗平臺。仿真和實驗證明，浮、定點PID控制器均可在強電磁干擾的環(huán)境中高速、準確、可靠地運行，具有廣泛的實用性。

　　按偏差的比例、積分和微分進行控制的PID 算法是連續(xù)系統(tǒng)控制理論中技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種控制技術(shù)。隨著智能控制理論的發(fā)展，出現(xiàn)了諸如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID、模糊PID、小波PID 等許多改進的PID 算法，從理論上講，它們能夠彌補單純PID 控制的不足，然而在實際工程應(yīng)用中，PID 控制器因其結(jié)構(gòu)簡單、速度快、可靠性高，仍是絕大部分場合采取的有效過程和運動控制方法。

　　用模擬元器件實現(xiàn)的PID 調(diào)節(jié)器，受環(huán)境、溫度等因素的影響較大，精度較低，而且硬件電路一旦搭建完成，改動麻煩。數(shù)字式PID 具有抗干擾強、參數(shù)整定靈活等模擬控制器無法比擬的優(yōu)點，在實際的生產(chǎn)過程中被普遍采用。目前采用單片機或DSP 實現(xiàn)PID 算法比較普遍，應(yīng)用在一些性能要求不是很高的場合。然而無論是單片機或DSP，都采用軟件進行編程，在速度和可靠性上有一定的局限和欠缺。該文提出了基于現(xiàn)場可編程門陣列FPGA 的通用數(shù)字PID 控制器設(shè)計，能夠滿足高速、高可靠性和精確性應(yīng)用場合的嚴格要求。

　　立足于全數(shù)字逆變焊接電源的工程背景，采用位置式數(shù)字PID 算法，研究了不同算式的特點和應(yīng)用范圍，提出了基于流水線模式的快速PID 算法，并詳細介紹了實現(xiàn)的思路和方法。通過程序流程圖、功能框圖和時序仿真對浮、定點PID 控制器的實現(xiàn)及其若干相關(guān)問題和解決方法進行了詳細的介紹。在仿真成功的基礎(chǔ)上，驗證了所設(shè)計的定點和浮點PID 算法能夠在焊接電源的強電磁干擾環(huán)境下可靠穩(wěn)定地工作，實現(xiàn)電源內(nèi)環(huán)控制的快速和高精度，大大提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。
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