基于fpga与单片机数字pid控制系统
基于单片机的PID恒温控制系统设计
基于单片机的PID恒温控制系统设计1. 引言恒温控制系统在现代工业生产中起着至关重要的作用，它能够确保生产过程中的温度稳定，从而保证产品质量和生产效率。
而PID控制器作为一种常用的控制器，具有简单易实现、稳定可靠等优点，被广泛应用于恒温控制系统中。
本文基于单片机的PID恒温控制系统设计，旨在研究和实现一种高效、精确的恒温控制方案。
2. 系统设计原理2.1 PID控制原理PID控制器是由比例项（P项）、积分项（I项）和微分项（D项）组成的。
比例项根据当前误差与设定值之间的差距来调整输出；积分项根据误差累积来调整输出；微分项根据误差变化率来调整输出。
PID控制器通过不断调整输出值与设定值之间的差距，使得系统能够快速、稳定地达到设定值。
2.2 单片机原理单片机是一种高度集成化、功能强大的微处理器芯片。
它具有处理能力强、可编程性好等特点，在工业控制领域得到广泛应用。
单片机可以通过输入输出端口与外部设备进行信息交互，通过控制算法调整输出信号，实现对恒温控制系统的精确控制。
3. 系统硬件设计3.1 传感器恒温控制系统中的传感器用于实时监测温度值，并将其转化为电信号输入给单片机。
常用的温度传感器有热电偶、热敏电阻等。
本设计中选择热敏电阻作为温度传感器。
3.2 控制器本设计中选择常用的STC89C52单片机作为控制器，它具有丰富的外设接口和高性能的处理能力，能够满足恒温控制系统的需求。
3.3 作动器作动器是恒温控制系统中负责调节环境参数（如加热、冷却等）以实现恒温目标的设备。
本设计中选择继电器作为作动器，它可以根据单片机输出信号来切换加热和冷却设备。
4. 系统软件设计4.1 温度采集与处理单片机通过模拟输入端口采集到来自传感器的模拟信号，然后通过模数转换器将其转化为数字信号。
接下来，通过算法对采集到的温度值进行处理，得到误差值。
4.2 PID算法实现PID算法的实现是整个恒温控制系统的核心。
根据采集到的误差值，通过比例、积分和微分三个参数来调整输出信号。
基于FPGA的高速PID控制器设计与仿真
基于FPGA的高速PID控制器设计与仿真在CNC(电脑数控)加工、激光切割、自动化磨辊弧焊系统、步进／伺服电机控制及其他由电机控制的机械组装定位运动控制系统中，PID控制器应用得非常广泛。
其设计技术成熟，长期以来形成了典型的结构，参数整定方便，结构更改灵活，能满足一般控制的要求。
此类运动控制系统的被控量常为速度、角度等模拟量，被控量与设定值之间的误差值经离散化处理后，可由数字PID控制器实现的控制算法加以运算，最后再转换为模拟量反馈给被控对象，这就是PID控制中常用的近似逼近原理。
采用这种结构设计的控制系统，其性能只能与原连续控制系统性能接近而不会超过，逼近的精度与被变换的连续数学模型大小及采样周期长短有关[1]。
特别是在高速运动控制的情况下，采样周期的影响更大，采样周期相对较长时，逼近程度才较好，但是对PID控制算法的运算速度及回路的调节时间等也提出了更高的要求。
可编程逻辑器件FPGA的逻辑门数为5000～200万个，属于大规模甚至超大规模逻辑器件，其工作频率最高可达250MHz。
因此，无论从编程规模还是工作速度上，完全可以用来实现高速PID控制器。
本设计使用Altera公司的Cyclone系列FPGA器件EP1C3作为硬件开发平台，对运动控制中常用的增量式数字PID控制算法进行优化处理，提高了运算速度和回路的调节时间。
1 增量式数字PID控制算法的FPGA实现经典PID控制方程为：式中，KP为比例放大系数；K1为积分时间常数；KD为微分时间常数。
数字PID控制算法的实现，必须用数值逼近的方法。
当采样周期相当短时，用求和代替积分，用差商代替微商，使PID算法离散化，将描述连续一时间PID算法的微分方程离散化、差分、归并处理后可得：从(2)式可以看出，增量式数字PID算法，只要储存最近的三个误差采样值e(k)、e(k-1)、e(k-2)就足够了。
实现此增量式数字PID控制算法的结构图如图1所示。
基于单片机的pid温度控制系统设计
一、概述单片机PID温度控制系统是一种利用单片机对温度进行控制的智能系统。
在工业和日常生活中，温度控制是非常重要的，可以用来控制加热、冷却等过程。
PID控制器是一种利用比例、积分、微分三个调节参数来控制系统的控制器，它具有稳定性好、调节快等优点。
本文将介绍基于单片机的PID温度控制系统设计的相关原理、硬件设计、软件设计等内容。
二、基本原理1. PID控制器原理PID控制器是一种以比例、积分、微分三个控制参数为基础的控制系统。
比例项负责根据误差大小来控制输出；积分项用来修正系统长期稳态误差；微分项主要用来抑制系统的瞬时波动。
PID控制器将这三个项进行线性组合，通过调节比例、积分、微分这三个参数来实现对系统的控制。
2. 温度传感器原理温度传感器是将温度变化转化为电信号输出的器件。
常见的温度传感器有热电偶、热敏电阻、半导体温度传感器等。
在温度控制系统中，温度传感器负责将环境温度转化为电信号，以便控制系统进行监测和调节。
三、硬件设计1. 单片机选择单片机是整个温度控制系统的核心部件。
在设计单片机PID温度控制系统时，需要选择合适的单片机。
常见的单片机有STC89C52、AT89S52等，选型时需要考虑单片机的性能、价格、外设接口等因素。
2. 温度传感器接口设计温度传感器与单片机之间需要进行接口设计。
常见的温度传感器接口有模拟接口和数字接口两种。
模拟接口需要通过模数转换器将模拟信号转化为数字信号，而数字接口则可以直接将数字信号输入到单片机中。
3. 输出控制接口设计温度控制系统通常需要通过继电器、半导体元件等控制输出。
在硬件设计中，需要考虑输出接口的类型、电流、电压等参数，以及单片机与输出接口的连接方式。
四、软件设计1. PID算法实现在单片机中，需要通过程序实现PID控制算法。
常见的PID算法包括位置式PID和增量式PID。
在设计时需要考虑控制周期、控制精度等因素。
2. 温度采集和显示单片机需要通过程序对温度传感器进行数据采集，然后进行数据处理和显示。
基于FPGA与单片机数字PID控制系统
基于FPGA与单片机数字PID控制系统
刘欣丽;张国雄;李杏华
【期刊名称】《电子测量技术》
【年(卷),期】2003(0)6
【摘要】设计基于FPGA和单片机的数字PID控制系统。
FPGA与单片机的配合使用,简化硬件和软件设计。
文中详细介绍其硬件电路设计,并给出软件流程图。
【总页数】2页(P37-38)
【关键词】FPGA;单片机;数字PID控制系统;A/D转换;D/A转换
【作者】刘欣丽;张国雄;李杏华
【作者单位】天津大学
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
【相关文献】
1.《电机数字控制系统集成设计》系列讲座（十五）第7章基于FPGA架构交流电机数字控制系统集成设计 [J], 杨贵杰;崔乃政;孙国栋;
2.《电机数字控制系统集成设计》系列讲座（十六）第7章基于FPGA架构交流电机数字控制系统集成设计 [J], 杨贵杰;崔乃政;孙国栋;
3.基于数字PID和89C52单片机的温度控制系统 [J], 刘迪;谭春亮;李建海;孙晶
4.基于FPGA的模糊PID励磁控制系统的研究 [J], 何建铵;王健
5.《电机数字控制系统集成设计》系列讲座(十四) 第7章基于FPGA架构交流电机数字控制系统集成设计 [J], 杨贵杰;崔乃政;孙国栋
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于FPGA实现PID控制器的研究
基于FPGA实现PID控制器的研究
杨文超;张荣标;张春艳
【期刊名称】《微计算机信息》
【年(卷),期】2005(21)11Z
【摘要】介绍了一种基于FPGA的用数字电路实现的PID控制器。
把原来用单片机实现的数字PID控制算法单独用数字电路来实现，保留单片机对参数整定的灵活性。
在设计中研究了PID算法的数字电路实现。
由于把PID控制从单片机中隔离出来，因此可以降低在工控场合强烈的干扰造成单片机程序跑飞对整个系统的影响，提高了控制的可靠性。
最后介绍了本设计在逃逸链梯中的应用。
【总页数】3页(P135-137)
【作者】杨文超;张荣标;张春艳
【作者单位】江苏大学电气信息工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
【相关文献】
1.基于FPGA的增量式PID控制器的研究与实现 [J], 高铁红;王诚意
2.基于FPGA的非线性PID控制器设计与实现 [J], 张勇;王和明;任成伟;王海龙
3.基于FPGA实现PID控制器的研究 [J], 杨文超;张荣标;张春艳
4.基于FPGA数字PID控制器的实现 [J], 权震华
5.基于FPGA的倒立摆模糊PID控制器设计实现 [J], 郑浩;汪正祥;张凤登
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于FPGA的PID控制器研究与实现共3篇
基于FPGA的PID控制器研究与实现共3篇基于FPGA的PID控制器研究与实现1近年来，随着现代控制理论的快速发展，PID控制器已经成为了广泛应用的经典算法之一。
PID控制器通过比较目标值和实际值之间的误差，反馈调整控制器的输出信号，实现对被控对象的精确控制。
PID控制器不仅简单且易于实现，而且良好的性能使其在自动控制领域中得到广泛应用。
而FPGA技术的高速并列运算、低延迟和高精度特性，为PID控制器的实时性和精度提供了重要的支持。
本文旨在通过基于FPGA技术的PID控制器研究与实现，探索这一领域的新思路和新方法。
一、PID控制器的基本原理PID控制器基于被控对象的输出值和标准值之间的误差进行控制。
该算法包括比例(P)、积分(I)和微分(D)三个参数。
其中，比例参数是通过直接调整被控量的大小，使其不断靠近标准值；积分参数修正了长期误差，通过积分误差实现偏差的修正；微分参数反映了被控物理系统的动力学特性，通过比率误差的变化率，实现对被控量的快速响应。
二、基于FPGA的PID控制器实现方案基于FPGA的PID控制器比传统的PC或单片机进行控制有更快的响应速度和更低的延迟。
基于FPGA的PID控制器将提供实时数据采集和高速算法处理的结合。
其实现方案基本步骤如下：1. 选择合适的FPGA芯片并进行开发环境搭建，比如选用Xilinx的Vivado软件进行开发。
2. 实现PID控制器的最重要的步骤是设计算法。
基于FPGA的PID控制器主要分为两个部分：控制循环和存储器组件。
控制循环模块主要将控制信号输出给被控对象，从而实现对被控对象的控制；存储器组件则使用存储器来保存被控量及反馈量等数据。
3. 在FPGA芯片上进行系统的相关硬件配置并进行PID算法的编程。
4. 根据实际需要，实现PID控制器与外部设备通信及数据传输，比如串口通讯、以太网通讯等。
三、实验结果与分析为了验证基于FPGA的PID控制器的实现效果和精度，我们进行了一系列实验。
基于FPGA的PID温度控制系统的设计与实现
（） 中， ２式 Ｔ为采样 周期 ， ｋ为采样 序号． １ 式 、２ 由（ ） （ ）
式可得数字式 ＰＤ算 法公 式为 ： Ｉ
基于微处理器 的数字 ＰＤ控制改变了传统模拟 ＰＤ控 Ｉ Ｉ
制参数调 整不灵活 的问题 ， 但用微 处理器 来实 现温度 的控 制时， 实现 的是 ＰＤ软算法 ， Ｉ 微处理器 中的程序 在恶劣环境 下运 行时可能产生跑 飞的现象 ， 引起输 出值 的大 幅度变 会
ＰＤ算法结构 清晰 ， Ｉ 参数 可调 ， 算法 简单 高效 ， 可在 现 场根据实际来调节 比例 、 积分 、 微分三个参 数来达到较好 的
控制效果 ， 在温度控制系统中被广泛采用． 完整 的模拟 ＰＤ Ｉ
度进行 比较 ， 所得 差值经 ＰＤ算法处 理后输 出给 Ｐ Ｉ ＷＭ 模
块． ３ 在 Ｐ （ ） ＷＭ模块 中， 根据 ＰＤ运算得 出的控制量 ， Ｉ 控制 Ｐ ＷＭ波的输 出 占空 比 ， 而控 制控 温 装 置 的加 热 功 率． 从
成 本 和 时 间 等 优 点 ． 此 利 用 Ｆ Ｇ 实 现 温 度 控 制 系 统 具 因 ＰＡ
有较大 的应用价值 ． １ 数 字 ＰＤ算法的原理 Ｉ
量， 采集 输 入 到 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ进 行 处 理 ， 理 过 程 包 括 ： １ 将 处 （） Ｌ Ｃ２３ Ｔ １９ 采集 到的数 字量 转化 为温度 值输 出， 时显示设 同 定 的目标温度值 ２ 将所 测 的实际 温度 与设 定 的 目标 温 （）
（ ： ［（ － ｕ ） ［（ （ ＝ Ｐ ）＋Ｔ Ｚｅ ） Ｐ ）＋』 。 （）＋
．பைடு நூலகம்
］
（ ３ ）
即：
“ ｋ ｅｋ （ ）＝ （ ）＋Ｋ ｅ ｋ ［（ ）一 （ 一１ ］ （ ）＋ ｅ ｋ ｅ ｋ ）
基于FPGA的PID控制器设计
本设 汁是基 于现场 可编 程门阵列 （ Ｆ Ｐ ＧＡ） 的通用 控制 器设 计 ， Ｆ Ｐ ＧＡ以其独特 的优势 在在电子设 计领域得到愈 来愈广泛 的应 用。 Ｆ Ｐ ＧＡ的 独 特 优 势 在 于 集 成 度 高 、 体积小 、 功 耗 低 和 可 靠性 高 ， 同 时 用 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ设计电路灵 活。 而本设 计将 Ｐ Ｉ Ｄ控制 器 、 速度检测模块 和Ｐ ＷＭ生成模块都集中在 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ芯片中 ，提高系统的抗干扰能 力
一
图 １ 系统 功 能框 图
） ＝ Ｋ ｅ ＋ 厂 ｌ Ｐ （ ｔ ） ｄ ｔ ＋ Ｔ ｄ 以 Ｚ 】
（ Ｉ ）
图２ Ｐ ｌ Ｄ控 制 器 原 理 框 图
式（ １ ） 是连续 系统 的 Ｐ Ｉ Ｄ算法 表达式 ． 其中ｅ （ １ ） 是设 定值和反 馈 值 的偏差 ． Ｉ ｌ （ 【 ） 是输 ｆ ｛ Ｊ 控制 量 ； Ｋ 为 比例系数 ； Ｔ ， 为积分时 间常数 ； 为微分时间常数 。由于采用数字处理 ， 而必须将连续表达式转换
和 可 靠性 。 １ 控 制 系统 框 图
系统功能框 如 １ 昕永 ．对编码器输 出的 Ａ、 Ｂ两 相相位相 差 ９ ０ 。的信号进行 滤波和四俯频处理 ，得到电机 的转速 大小 和方 向： ｊ 设定 值比较得到误差 值送入 Ｐ Ｉ Ｄ模块 ，运算 后的结果送 人 Ｐ ＷＭ产生 模块 生成 Ｐ ＷＭ波 ， 载波用直接数字合成技术 （ Ｄ Ｄ Ｓ ） 产生 定频 率的锯齿波 本文 主要对 Ｐ Ｉ Ｄ模块进行设计 。 ２ Ｐ ｌ Ｄ 控 制 算 法 完整 的 Ｐ Ｉ Ｄ 表达 式 为 ：
基于FPGA的多功能PID控制器的设计
基于FPGA的多功能PID控制器的设计一、前言PID控制是一种常用的控制方式，在工业控制中有着广泛的应用，特别是在温度、压力、流量等参数的控制中非常常见。
PID控制器通过利用被控对象的反馈信息和设定值之间的差距来实现目标控制。
基于FPGA的多功能PID控制器利用硬件实现PID算法，可以大大提高PID控制的速度和精度。
二、多功能PID控制器的基本结构多功能PID控制器的基本结构包括输入信号采集、PID算法运算、输出信号处理。
其中，输入信号采集模块主要负责采集被控对象的反馈信号，PID算法运算模块主要负责对采集到的信号进行PID控制算法的计算，输出信号处理模块负责从PID算法运算模块中获取处理后的输出信号，将输出信号转化为控制信号，最终对被控对象进行控制。
三、PID算法的实现PID算法包括比例控制、积分控制和微分控制三部分，其控制原理是以误差为控制对象，通过增加比例、积分和微分三个分量来实现控制目标。
PID算法运算模块是多功能PID控制器的核心，其主要包括以下几个模块：1. 数据存储模块：用于存储采集到的被控对象的反馈信号以及PID控制器的参数；2. 系数计算模块：用于计算PID控制器的增益系数；3. 控制状态计算模块：用于计算控制状态；4. 控制状态记录模块：用于记录控制状态，用于下一步计算。
三、多功能PID控制器的设计多功能PID控制器的设计需要考虑到以下几个要素：控制速度、控制精度、可扩展性和稳定性。
1. 控制速度多功能PID控制器的速度受到硬件资源的限制，需要选择速度较快的FPGA芯片，同时还需要合理设计硬件结构，使PID算法可以高效运行，并能够快速响应输入信号。
2. 控制精度多功能PID控制器的控制精度受到硬件资源和PID算法的限制，需要在设计中选择适合的硬件资源和PID算法，同时需要在实现过程中尽可能减少误差。
3. 可扩展性多功能PID控制器应具备良好的可扩展性，能够方便地进行功能升级和扩展。
基于FPGA的PID控制电路的设计与实现
1%
2% 5% 3% 1%
2%
图2
基于硬件描述语言的 PID 电路的 RTL 图
6
有符号数加减运算电路处理：由于在本设计中出 现了加减的运算，运用原码算法设计数字电路无疑增 加电路的复杂度。而采用补码运算进行设计就简单多 了，加减法运算都可以用相同的加法电路实现。在本 设计中， 对于负的运算值， 采用了 “求反且末位加 1” 的补码运算将其转换为正值，简化电路的结构。 小数运算的电路处理：在式(1) 中比例项的系数 KP 在（1、10）之间，而微分项的系数 KI 在（0、5） 之间。因为采样周期比较短，就会形成小数系数。 而硬件描述语言不能很好的进行浮点运算，解决的 办法是对整个运算式进行放大缩小处理。 例如把系数 n 增大 2 倍，获得整数运算后再进行缩小处理。
u(n) KP{e(n)
T TI
e(n) T [e(n) e(n 1)]} u (3)
i 1 0
n
TD
由（3）可看出，位置型控制算式不够方便，这是 因为要累加偏差 e(i ) ,不仅要占用较多的存储单元， 而且不便于编写程序。根据式（3）,不难看 u(n-1)的 表达式，即
基于 FPGA 的 PID 控制电路的设计与实现
任文平，贾 赞，李鹏，陈志坚
云南大学信息学院,昆明 中国 650091 e-mail: rwp3053@
摘 要: 数字 PID 控制是普遍采用的自动控制方法，具有参数能够灵活整定的特点，本文以 FPGA 为平台，采用补码的加法器代替减法器设计，小数运算整数化等设计方法进行了 PID 电路的 设计与实现，以电动小车为控制对象的测试表明，与单片机控制电路相比，该电路不仅调节速度 较快，而且可靠性更高。 关键词: FPGA；PID；控制电路
数字PID控制器的FPGA实现与仿真
数字PID控制器的FPGA实现与仿真作者：许国宏宋征王耀磊来源：《电脑知识与技术》2015年第11期摘要：根据增量式PID控制器的工作原理，设计了一种基于FPGA的数字PID控制器，采用FPGA并行结构，使用自顶向下的设计方法完成了控制器的VHDL分层设计，最终实现了对控制量的精确控制。
经过仿真测试表明，该设计方案有效可行，并且具有结构简单、性能可靠、控制效果良好及实用性强等优点。
关键词：PID控制器；FPGA；数字锁相环；中图分类号：TN911.23 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）11-0229-02FPGA Implementation and Simulation of Digital PID ControllerXU Guo-Hong， SONG Zheng， WANG Yao-Lei（China Research Institude of Radio Wave Propagation， QingDao 266107， China）Abstract： According to the working principle of incremental PID controller，a kind of Digital PID Controller based on FPGA is designed，and using the FPGA parallel structure，The top-down design methodology is used to complete the controller VHDL layered design，Finally realized the precise control of control quantity。
Through simulation tests show that the design scheme is effective and feasible，and has the advantages of simple structure、reliable performance、good control effect and strong practicability etc.Key words： PID controller； FPGA； DPLLPID控制算法是一种简单有效的控制算法，因其有原理简单、参数可调、鲁棒性好、可靠性高、适应性强等优点，而在工业控制领域得到了广泛的应用，是目前自动化控制技术中最稳定的控制方法之一[[1]]。
基于FPGA的数字PID控制器设计
实 现 数 字 Ｐ Ｄ控 制 器 的设 计 ，提 高 系 统 的 运 算 速 Ｉ 度 、 少系统 的体 积 、 强其 可靠 性 。 减 增
２ 各 功 能模 块 的 设计 １ Ｐ Ｄ 控 制 算 法 Ｉ
在此将 详 细描述 各模块 的具 体实 现过程 。使 用
完整 的 Ｐ Ｄ控 制表 达式 为 ： Ｉ
式（） ２ 为增量 型 Ｐ Ｄ控 制算 法 。从式 （ ） Ｉ ２ 可看 出增 量
分 、积分参数 的控制策 略来 达到 最佳 系统 响应 和控
制效 果 。但 是采 用 微处 理 器来 实 现 时 ． 能完 全 避 不
型 控制算 法 只与前 三次 采样值 有关 ，不需 要大量 的
数据 存储 和 累加 ． 因而不 易引起 误差 累积 ， 计算量 小
馈 值 ｙ 求偏 差 ， ） 然后 把 所 得 的 偏差 值 传 给 后续 模 块进 行处 理 ， 图 ２所示 。复位 信号 ｒｓｔ 如 ｅｅ 为低 电平 时 复位 ， 则 ， 否 在输 入 时钟 的上 升沿 到 达 时 ， 在使 能
收 稿 日期 ：ｏ ９ ０ 一 ３ ２ ｏ — ９ ｌ
作 者简 介 ： 昭 明 （９ ５ ， ， 陈 １８ 一）男 四川 人 ， 国航 天 科技 集 团第 四研 究 院 ４ １ 硕 士研 究 生 ， 究 方 向为 测 试 计 量技 术及 仪 器 。 中 ０所 研
且实 时性 好 。其结构 原理 如 图 １ 所示 。
免程序 跑 飞和计算 机误 动作 对整 个控制 系统 的破 坏
性 影 响 。现场 可编 程 门阵列 Ｆ Ｇ 的出现 为 Ｐ Ｄ控 ＰＡ Ｉ 制 器 的设 计提 供 了新 的实现手 段 。 Ｐ Ａ集成度 高 、 ＦＧ 体 积小 、 功耗低 、 靠性 高 、 可 设计 方 法灵 活 ， 仅具有 不 反 复编 程 、 复探 险 、 复使 用 等特 点 ， 能 得 到实 反 反 更
基于单片机的pid电机调速控制系统的硬件电路设计
下面是一个基于单片机的PID电机调速控制系统的硬件电路设计示例：
电路中使用了一个STM32F103C8T6微控制器，该MCU内置了PWM输出、ADC输入、定时器计数等功能，非常适合用于电机调速控制。
电机驱动采用了L298N模块，可以
控制两个直流电机的转速和方向。
另外，根据需要，可以加入光电编码器或霍尔传感
器等来获取电机的转速反馈信号。
电路中还使用了一个LCD1602液晶屏来显示电机转速、目标速度、PWM输出等信息，方便用户进行调试和监控。
此外，还可以使用按键开关来控制电机的启停和目标速度
的调节。
在硬件电路设计完成后，需要编写单片机程序来实现PID控制算法、PWM输出、
ADC采样等功能。
通常可以使用Keil、IAR等集成开发环境来编写和调试程序，也可
以使用Arduino IDE等编程环境进行开发。
这只是一个简单的PID电机调速控制系统的硬件电路设计示例，具体的实现方式和细
节可能会因应用场景和需求的不同而有所不同。
基于FPGA单回路数字PID控制器的实现
基于FPGA单回路数字PID控制器的实现
董旭;许维胜;吴继伟
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2004(27)23
【摘要】将ASIC技术与传统的控制方法相结合,引出了用FPGA来实现单回路数字PID控制器的设计思想.本文在LP3900万用数位逻辑发展系统上用Foundation 2.1电路设计软件和Xilinx Spartan系列FPGA XCS20-208来设计和实现单回路数字PID控制器,其中A/D转换和D/A转换部分分别采用AD7394和LTC1296芯片,最后的仿真结果表明了该方案的可行性和设计模块的准确性.【总页数】4页(P35-37,40)
【作者】董旭;许维胜;吴继伟
【作者单位】同济大学,电子与信息工程学院,上海,200092;同济大学,电子与信息工程学院,上海,200092;同济大学,电子与信息工程学院,上海,200092
【正文语种】中文
【中图分类】TP311
【相关文献】
1.基于FPGA的数字PID控制器研究 [J], 许忠仁;姜丽;穆克;朱文伟
2.数字PID控制器的FPGA实现及软硬件协同仿真 [J], 陈晋炜;周玉洁
3.数字PID控制器的FPGA实现与仿真 [J], 许国宏;宋征;王耀磊
4.基于FPGA的数字PID控制器设计 [J], 陈昭明;白向林;龚晓宏
5.基于FPGA数字PID控制器的实现 [J], 权震华
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于fpga的pid控制器的设计与实现
基于fpga的pid控制器的设计与实现
基于FPGA的PID控制器的设计与实现可以分为以下几个步骤：
1. 确定PID控制器的输入和输出。
PID控制器的输入一般为被
控对象的当前状态以及目标状态，输出为控制信号。
根据具体应用场景确定PID控制器的输入和输出。
2. 设计PID控制算法。
PID控制算法是PID控制器的核心，可以根据被控对象的数学模型和控制要求来设计。
常见的PID
控制算法包括增量式PID控制算法、位置式PID控制算法等。
3. 在FPGA上实现PID控制器。
首先，根据PID控制算法设
计PID控制器的结构，包括比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分。
然后，使用硬件描述语言（如Verilog或VHDL）
来实现PID控制器的功能，并根据需要进行时钟与时序设计。
最后，编译、综合和实现设计，生成可在FPGA上运行的bit
文件。
4. 连接被控对象与FPGA。
将FPGA的输出信号连接到被控对
象的执行机构上，确保PID控制器的输出能够对被控对象产
生控制作用。
5. 调试与优化。
通过实际测试和调试，验证PID控制器的性能，并根据实验结果进行调整和优化，以达到预期的控制效果。
值得注意的是，在设计和实现基于FPGA的PID控制器时，
需要根据具体的应用需求和系统环境进行合理的设计和调整，以充分发挥FPGA在高速、实时控制方面的优势。
基于fpga的pid控制器设计
基于fpga的pid控制器设计基于FPGA的PID控制器设计在现代工业自动化领域中，PID（比例-积分-微分）控制器被广泛应用于各种控制系统中。
PID控制器可以通过对系统的误差进行连续的测量和调整，实现对系统的稳定控制。
而基于FPGA的PID控制器设计，则可以将PID控制算法实现在可编程逻辑器件上，提供更高的计算性能和灵活性。
在实际的FPGA PID控制器设计中，首先需要对被控对象进行建模和参数的测定。
建模是指将实际的被控对象转化为数学模型，以便进行控制算法的设计和仿真。
参数测定是指通过实验或模型辨识的方法，确定PID控制器中的比例、积分和微分参数，以使得系统的控制性能最优。
接下来，需要将PID控制算法实现在FPGA芯片上。
FPGA芯片具有高度可编程性和并行性，能够提供更快的响应和更高的计算性能。
通过使用硬件描述语言（HDL）如VHDL或Verilog，可以将PID控制算法转化为FPGA上的逻辑电路，并通过时钟信号进行同步。
在FPGA上实现PID控制器的关键是如何将连续的控制算法转化为离散的电路。
其中，采样周期的选择是一个重要的考虑因素。
采样周期应根据被控对象的动态特性和控制要求进行选择，以保证系统的稳定性和控制性能。
一般来说，较短的采样周期可以提高控制的灵敏度，但也会增加系统的计算负载。
除了采样周期外，PID控制器的输出还需要进行数字到模拟的转换，以控制外部执行机构。
这可以通过使用数字-模拟转换器（DAC）来实现。
DAC可以将FPGA输出的数字信号转化为模拟电压或电流，以驱动执行机构。
为了验证PID控制器的设计和性能，可以通过在FPGA上进行仿真和实际实验来进行验证。
仿真可以通过在FPGA开发板上加载控制程序，并对模拟或实际的被控对象进行测试。
实验则是将FPGA控制器与实际的被控对象连接，以验证其在实际环境中的控制性能。
基于FPGA的PID控制器设计是一项复杂而又重要的工作。
它不仅需要对被控对象进行建模和参数测定，还需要将PID控制算法转化为FPGA上的逻辑电路，并进行数字到模拟转换。
基于FPGA数字PID控制器的实现
中 国科 技信 息 ２ ． ０ ｔ ４年第 １ ３期 ・ ｃ Ｈ Ｊ Ｎ Ａ Ｓ Ｃ Ｉ Ｅ Ｎ Ｃ Ｅ ＡＮ ＤＴ Ｅ Ｃ Ｈ Ｎ ＯＬ ＯＧ ＹＩ Ｎ Ｆ ＯＲ ＭＡ Ｔ Ｉ ＯＮ Ｊ ｕ ｎ ， ２ ０ １ ４
基金项目 ：西南科技大学 电气工程示范实习 、买训基地项 目 （ １ ２ 刈ｘ ７ ９ ）
基于 Ｆ Ｐ ＧＡ 数字 Ｐ Ｉ Ｄ控制器 的实现
概述
Ｐ Ｉ Ｏ控制算法
Ｐ Ｉ Ｄ控 制 结 构 清晰 ，参 数 可调 ，可 在现 场 根 据 实 际调 节 参 数 取得 较 好 的控 制效 果 ，适 用于 各种 控
制对象，在动态控制系统 中得到广泛的应用。由微 机、单 片机、Ｄ Ｓ Ｐ等 数字 芯片实 现的数 字 Ｐ Ｉ Ｄ控
权 震华
权 震 华
西南科技大学 信息工程学院 ．四川 绵阳 ．６ ２ １ ０ １ ０ 权震 华 （ １ ９ ７ ６一 ） ． 女 硕 士学位 ， 讲 师 ，主要研究领 域为信号检 测与处理 ；罗亮 （ １ ９ ７ ７一 ） ． 男 讲师 ． 博士 ． 主要
究领域为信号检测与处理 。
构的 Ｐ Ｉ Ｄ 控 制 器设计方 洁。在 Ｐ Ｉ Ｄ算 法与 Ｆ Ｐ Ｇ Ａ的运算 器逻辑 映像过程 中 ，采用补码加 法器代替减
法 器设 计，增 加整数运算 结果 的位扩 展处理 ，完成 了包括 算法顶层模块 的积 分分 离处理 ，底层 浮点加 法、浮点 乘法、浮点数 与整 数的转换 等多个底层模 块的实现 。设 计通过硬件 在回路仿真 对所设计的 Ｐ Ｉ Ｄ控制 器进行验证 ，仿真 与测试结果表 明算 法的有效性 与正确性 。
２ ． １基 本 Ｐ Ｉ Ｄ算 法 Ｐ Ｉ Ｄ控制 器根 据 系统的误 差 ， 系统 的误 差 比例 、 积分 、 微分 三 个 环节 的 不 同组 合计 算 出控 制 量 。Ｐ Ｉ Ｄ控 制 系统 的
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
完成Ａｎ采集卡及Ｉ）Ａ输出卡与单片机的接ｆ１电路。
ＦＰ（ｊＡ
与
ＡＤ采集卡的接
＾输卅 －
口电路主要实
霈 现：（１）进行通
‘１＿ｌＡ
叫ｑ机Ａ
道选择（２）向
鍪 ＡＩ）转换器发送
启动信号（３）
一１ Ｌ酣ＬＢ
取回ＡＤ转换结
束信号（４）凄取 转换完的数据，
图３ １）Ａ输出＃电路框图
由干单片机数据总线为８位，而ＡＤ输出为１２位，因此
业大学出版社，１９９７ ２王水平，付敏江开关稳压电源一原理、设训与使用电路
西安：两安电子科技大学出版社，１９９９ ３王英剑等新型开关电源实用技术北京：电子』＝业出版
社．２０００
万方数据
基于FPGA与单片机数字PID控制系统
作者： 作者单位： 刊名：
英文刊名： 年，卷(期)： 引用次数：
刘欣丽， 张国雄， 李杏华 天津大学
电子测量技术 ELECTRONIC MEASUREMENT TECHNOLOGY 2003，(6) 2次
参考文献(2条) 1.张桂香 计算机控制技术 1999 2.黄正瑾 CPLD系统设计技术入门与应用 2002
相似文.娄承芝 基于PC的小环境变温控制系统设计[期刊论文]-电子测量技术 2007(06) 2.邱丽芳 基于ISP技术的远程升级智能仪表的设计[期刊论文]-电子测量技术 2007(02)
在数字ＰＩＤ控制系统中，光电池的电压信号经Ａ， Ｄ转换，通过ＦＰＧＡ接口电路采集到单片机中，数据 在单片机中经过处理后，通过Ｄ／Ａ转换电路输出电压
值，来控制跟踪反射镜。系统的数据采集处理、ＰＩＤ
控制算法及输出控制在单片机里由软件编程来实现。 此系统设计主要包括两部分：硬件电路设计和系统软 件设计。本文着重论述硬件设计，并给出了相应的软 件流程图。
２硬件电路设计
硬件电路设计丰要有三部分组成：ＡＤ采集｝， ＦＰＧＡ与单片机组成的主板电路，ＤＡ输出Ｒ。
ＡＤ采集卡与ＤＡ输出卡 光电池为四象限光电池，
有两路输出信号，最大电压小于１０ｖ，要求ＡＤ采集卡 能分辨的最小电压小于３ｍｖ，转换速度要快。综合以 上几点．本设计中选用了ＡＤ公一Ｊ的ＡＤｌ６７４模数转换
针两个方向运动，所以Ｄ／Ａ转换的输出要求是双极性 的，电机驱动电压范围为±１０ｖ。本设计中选用 Ｍｘ７８４７，它是１２位并行输人高速数模转换芯片．转
换精度与ＡＤｌ６７４相匹配，可实现两路输八，双极性输
出，电压范围为±１０ｖ。图３为ＤＡ输出卡的电路框图。
万方数据
ＦＰＧＡ与单片机组成的主板电路 ＦＰＧＡ主要是
目前，数字控制不断取代了传统的模拟控制，它 通过Ａ／Ｄ转换将信号数字化，利用单片机或计算机对 数据进行采集和处理，然后通过Ｄ／Ａ转换将信号输出 给被控对象。数字控制器利用软件编程，可灵活改变 控制算法，实现不同控制目的…，因此得到了广泛的 应用。本文所介绍的数字ＰＩＤ控制系统，利用ｒ目前 被广泛应用的现场可编程逻辑器件ＦＰＧＡ，简化了Ａ／ Ｄ、ｒ）／Ａ转换与单片机之间的接口电路设汁，并使软 件编程更加简单。
芯片。它可实现１２位的ＡＤ转换，满量程达到１０ｖ，分 辨晟小电压为２ ５ｎ，ｖ，转换时间为ｌＯ｝ａ（高速）。ＡＤ 采集卡主要由模
拟多路开关（分
别选通光电池的 两路信号）和模 数转换一薛片组成
（与单片机的接口
通过ＦＰＧＡ在主 板电路上实现）。
图２为ＡＤ采集 卡电路框图。
幽２ ＡＤ采集卡电路框图
ＤＡ输出卡要将单片机罩的两路输出信号由数字 量转换成模拟量，这州个模拟量用来控制两个电机， 从『ｆ『ｉ控制跟踪反射镜。由于电机要求有顺刚针和逆时
本文链接：/Periodical_dzcljs200306021.aspx
下载时间：2010年1月10日
要分两次读取。单片机采用中断方式读取数据。
ＦＰＧＡ
与Ｉ）Ａ输ｍ卡的
接Ｌ＿ｌ电路主要解 决单片机的数据
宽度小于ＤＡ转 换器件分辨率的 问题，数据分两
次输送给Ｉ）Ａ转
换器。土要完
成：（１）进行输
入通道的选择。 （２１数据传送。
图４主扳电路框图
（３）启动Ｍｘ７８４７进行转换。
ＦＰＧＡ采用的是ＡＬＴＥＲＡ公司的ＭＡｘ ７０００ｓ系
程序。这里给出了单片机的 控制程序流程图见图５。
４ 结语
当猫眼在空间运动时， 光电池输出电压给数字Ｐ１Ｄ
１进入中断．第一路转换完毕１
厩志翮 ｌ启动ＡＤ第一路Ｉ
——ｒ—一
ｆ进入中断第崔｝转换完牛
控制系统，控制系统使跟踪
反射镜旋转．使返回光束恢 圈５单片机控制程序图
复到原方向．光电池输出重
新为零。此数字ＰＴＤ控制是一个闭环控制系统，目前 已实现了对猫眼运动的跟踪控制。本文给出了数字
１ 系统原理
如图１所示，首先激光光束经过分光镜到达跟踪 反射镜，再由猫眼逆反射器原路返回，到达分光镜时 分为两束，一束透射，一束反射到光电池。当猫眼在
图１跟踪控制系统原理图
起始位置时．使光电池电压输出为零，当猫眼在空间 运动的时候，反射回来的光束就会偏离原来的方向， 光电池有输出电压，数字ＰＴＤ控制系统就是要根据这 个电压值控制跟踪反射镜，使光束恢复到原来的方向。 从而使光电池输出值恢复为零。
４０Ｖ．若要扩展需对电路进行调整，同时要根据耐压 参数更换器件；②输出电压范围为ｕ ｃｔｒｌｌ １．１ｖ～ 电源电压（略低于电源电压）；③Ｒ。为过流保护电阻， 其阻值影响输出功率，要根据设汁的输出功率选择Ｒ 的阻值，计算方法为：Ｒ。＝０．１／Ｉ，其中Ｉ为最大没计 功率对应的电流值；④（：…Ｒ…Ｄ：构成开关管噪声 吸收网络，能有效吸收开关管边沿噪声，如果对噪声 指标要求更高，在输出前还应加ｎ型Ｌｃ滤波删络。
４ 实验结果
实验电路及元器件参数选择如图３，电源为 ２４ＶＤｃ，用２４Ｖ／１０ｗ灯泡作为负载，输出功率最大 时，效率不低于９０％，纹波小于１％，开关管噪声电 压小于５０ｍｖ（不加电感滤波）。
图３ ＰｗＭ功率输出电路
３ 应用要点
应用本电路需注意以下几点：①电源范围为１８～
参考文献 １ 张毅刚等Ｍｃｓ ５１单片机应用设计 哈尔滨：哈尔滨工
ｐａｐ…ｎ ｄｅｓｌｇＩｌ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｉｎ ｔｈｌｓ
ｄｅｔａｌ】ｔｈｅ ｄｅＨｇｎ。ｆ ｃｌｒｃｕｌｔ ａｎｄ ｐｍｖｍｅｓ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ。ｆ帅ｆＬｗａｒｅ Ｌｓ“ｍｍｄｕｃｅｄ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ＰＩＤ ｄＬｇｉｔａ】∞ｎｔｍｌ ｓ”ｔｅｍ ＦＰＧＡ ｓＬ“９１ｅｃｈｌｐ Ａ／Ｄ ｃｏｎｖｅｒ【 Ｄ，Ａ ｃ阱ｌｖｅｒｔ
列产品ＥＰＭ７１２８ｓＩ。ｃ８４—５１．它的密度为２５００门，
速度快，传播延迟最小为３．５ｎｓ。使用５Ｖ电压，支持 在系统编程…，可箨性高，编程软件使用的是ＭＡｘ＋ ｐｌｕｓⅡ。图４为ＦＰＧＡ与单片机组成的主板电路框图。
３ 软件设计
数字控制系统的软件设
计丰要包括：单片机对系统
的控制程序及ＰＩｒ）控制算法
基于ＦＰＧＡ与单片机数字ＰＩＤ控制系统
刘欣丽 张国雄 李杏华天津大学
摘要设计基于ＦＰＧＡ和单片机的数字ＰｌＤ控制系统。ＦＰＧＡ与单片机的配合使用，简化硬件和软件设汁。文中详细介绍 其硬件电路设计．并给出软件流程图。
关键词数字ＰＩＤ控制系统ＦＰｃＡ单片机Ａ／Ｄ转换ｎ／Ａ转换
ＰＩＤ ＤｉｇｉｔａＩ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＦＰＣＡ ａｎｄ Ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ
Ｌ Ｌｕ Ｘｌｎｌｉ Ｚｈａｎｇ Ｇｕｏｘｌ（】“ｇ Ｌｌ Ｘｌｎｇｈｕ８
ｂａ嗣ｏｎ Ａｋｔｒａｃｔ Ｉ）皓ｉｇｎ ａ ＰＩＤ ｄ１９１ｔａＩ ｃｏｎｔｍｌ ｓｙｓｔｅｍ
ＦＰＣＡ ａｎｄ ｓｌｎｇｌｅｃｈｉｐ Ｔ｝ｌｅ ｕｓｅ ｏｆ ＦＰＧＡ ａｎｄⅫｎｇｌｅｃｈ【ｐ ｇｒｃａｔｌｙ ｓ１ ＴＩＩｐｌｌｆｌｅｓ ｔｈｅ
ＰＩＤ控制系统的硬件电路设计和软件流程图，与以往
数字控制系统不同的是，设汁中使用了日前流行的现
场口，编程器件ＦＰＧＡ，从而简化ｒ硬件电路设计和软
件编程。
参考文献
１张棒香 训算机控制技术 电子科技大学山版丰十 １９９９： ４ｌ一４２
２黄正瑾ｃＰＩ。『）系统设计技术入门与应用 电子工业出版 社２００２：：３４ ３５
（上接第３６页）决定其工作频率，本电路工作频率大 约为２０ｋＨｚ），从６脚输出占空比可调的控制渡，经三 极管Ｔｌ进行电平转换后控制功率管’Ｉ－２，１乙集电极输 出的脉宽渡经ｃｌ滤波后输出，同时经光耦ＴＩ。Ｐ５２１ ｌ与控制电压Ｕ ｃ”ｌ比较后反馈到Ｕｃ３８４２的２脚， 使得输出电压按照ｕ（）二ｕ ｃｔｒｌ＋ｌ ｌｖ（光耦发光管 的压降约为ｌ ＩＶ）的关系跟踪控制电压ｕ ｃｔｒ∥”ｏ。