PID算法的FPGA实现_徐博

PID

PID算法的FPGA实现

Realization of PID Algorithm Based on FPGA

中国船舶重工集团公司第七一〇研究所 徐 博 冀 威

【摘要】PID控制器作为一种传统的控制方法在现代工业现场应用仍然非常广泛，实际工程中使用的PID控制系统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。本文采用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)来设计一款硬件PID控制器，很好地克服了软件实现方案的上述缺点。实际运行结果表明，采用该方法可明显改善效果，在简化设计的同时可以提高系统的实时性和抗干扰性。【关键词】FPGA；PID算法；Verilog HDL

elds in industrial control.However，the method of PID controller is mainly based on SCM software.its real-Abstract：s a traditional control method，PID controller is applied to many ?

time and anti-jamming performance is not satisfactory.Field Programmable Gate Array(FPGA)is presented to realize a hardware PID controller in this paper.It can overcome the above shortcomings of the software implementation.The practical operation result shows that this method can signi? cantly improve the control effect，and also improve the computational speed and reliability of system while simplify the design.Key Words：FPGA；PID algorithm；Verilog HDL

1.引言

在许多现代化的工业生产如冶金、电力等，实现对温度的精度控制至关重要的，不仅直接影响着产品的质量，而且还关系到生产安全、能源节约等一系列重大经济指标。

PID控制由于其鲁棒性好，可靠性高，在常规的温度控制中应用非常广泛。目前工程的实际应用中，大多数模糊PID控制器都利用单片机软件编程来实现，然而单片机的指令是按顺序执行的，实时性不强，加上软件实现容易受外界的干扰，抗干扰性能力差，对于实时性要求很高和外界干扰比较严重的系统不太适宜。本文选取FPGA(现场可编程门阵列)作为系统的主控制芯片，FPGA所有的信号都是时钟驱动的，对于程序的执行具有并行运算的能力，显著的提高了系统控制的实时性，在FPGA内部硬件实现还可以防止像单片机程序一样，在恶劣的环境条件下发生程序跑飞的问题。尤其是现在FPGA器件有越来越多的参考设计方案以及IP(知识产权)核心库方面的支持。利用FPGA设计的PID控制器一方面可以将实现PID算法的模块单独作为控制模块来使用，直接去实现对控制对象的调节，另一方面，基于FPGA的PID控制算法也可以将其作为系统内的IP核，以便在多路或复杂的系统上直接调用，加快研发设计速度。

2.PID算法分析2.1 离散PID算法

PID控制系统是一个简单的闭环系统，如图1所示，PID系统框图中，整个系统主要包括比较器、PID控制器和控制对象，其中PID包括三个环节，即比例、积分和微分。

2.2 离散PID算法

为了用微处理器实现PID算法，我们需要将模拟PID离散化，根据采样时刻的偏差来实现PID算法，因此式(3.2)中的微分和积分项两项内容作离散化处理。

假设T为采样周期，则积分项可作如下变换：

将上述程序在Quartus II软件环境里完成?

t

e(t)dt??e(k)T?T?e(k) (3)

k?0

k?0

nn

采样周期的时间非常短，故微分可以近似的表示为：

图2 增量式PID算法结构图

de(t)e(k)?e(k?1)

? (4)dtT

将式(3)和式(4)带入式(2)后，可得到离

散PID算法为(限于篇幅，推导过程省略)：

?u(k)?u(k)?u(k?1)

?a0e(k)?a1e(k?1)?a2e(k?2) (5)

这个等式被叫做增量式PID控制算法。其中，乘积因子由PID控制参数KP、KI、KD确定：

图3 误差模块仿真图

3.2 乘积和求和模块

通过误差计算模块求出e(k)、e(k-1)、e(k-2)后，由公式(5)知，要计算出控制量还必须将其分别与乘积因子做乘法运算，通过硬件描述语言来实现乘法运算的功能：

3.PID算法的FPGA实现

由公式(5)知，增量式PID控制算法的具体实现步骤为：先通过误差计算模块求出偏差值e(k)、e(k-1)、e(k-2)，再通过乘积模块求出三个信号分别与乘积因子的相乘，最后对乘积项求和得到最后的控制量。图2所示为增量式PID算法结构图。

3.1 误差计算模块

误差计算模块的目的是为了求出三次相邻的偏差采样值，即公式(3.8)中提到的e(k)、e(k-1)、e(k-2)，输入的给定值r(t)与实际输出值y(t)相减得到误差值。Verilog HDL程序代码如下，其中，ek0、ek1、ek2、rt、yt分别对应偏差值e(k)、e(k-1)、e(k-2)、r(t)、y(t)。

按照上述程序，在Quartus II完成编译后，其仿真结果如图4所示。

图1中的r(t)作为系统的给定值，y(t)作为系统的输出值，e(t)是给定值与输出值的偏差，所以系统的偏差可以求得：

e(t)=r(t)-y(t) (1)u(t)作为控制系统中的中间便量，既是偏差e(t)通过PID控制算法处理后的输出量，又是被控对象的输入量，因此模拟PID控制器的控制规律为：

1tde(t)

u(t)?KP[e(t)??e(t)dt?TD (2)

TI0dt

其中，KP为模拟控制器的比例增益，TI为模拟控制器的积分时间常数，TD为模拟控制器的微分时间常数。

图4 乘法器仿真图

现在可计算出?0e(k)、?1e(k?1)、?2e(k?2)三个乘积项的计算结果，将上面三个乘积项求和就可以得出控制量△u(k)。程序代码如下所示，其中输入val0[15..0]、val1[15..0]、val2[15..0]分别对应?0e(k)、?1e(k?1)、?2e(k?2)乘积的结果，输出val[15..0]就是控制量△u(k)的值。

PID

再谈轨道交通2.4G和5.8G频段与Wi-Fi干扰问题

广州市地下铁道总公司运营事业部 魏瑞新

【摘要】在国内轨道交通行业，曾经出现过地铁列车被Wi-Fi逼停事件，之后媒体一片呼声，众说纷纭，有人认为地铁使用Wi-Fi免费频点是为了省钱，有人认为地铁设计者当初缺乏长远规划，没有使用需要付费的5.8G频段。本文作者通过对2.4G和5.8G频段及Wi-Fi技术的基本概念分析，结合对国内管理部门颁布的与这两个频段相关的政策性解读，清晰地论述了2.4G和5.8G频段与Wi-Fi使用频点之间的相互关系及发生干扰的机理，明确地表达了如果没有相关管理部门的统一规划，无论地铁车地通信系统使用2.4G或5.8G频段中的哪一个频段，无论免费与付费，都会发生Wi-Fi干扰地铁列车的情况。针对这种情况，作者也依据自己在地铁行业从业多年的经验，给出了避免Wi-Fi干扰地铁列车车地通信系统的几点建议，对地铁规划设计和建设及既有线路的安全运营都具有一定的参考意义和价值。【关键词】ISM频段；CBTC；MiFi；Wi-Fi干扰

1.2.4G、5.8G频段频道分配的基本情况2.4G频段和5.8G频段均属于ISM频段范围，与Wi-Fi共处于一个频段范围内。ISM频段是由ITU-R(International Telecommu-nications Union-Radiocommunication Sectorv，国际电信联盟无线电通信部门)定义的。此频段主要是开放给工业、科学、医学(Industrial、Scientific、Medical)三个主要机构使用，简称ISM频段。该频段属于免费使用，无需授权许可(Free License)，只需要遵守一定的发射功率，并且不要对其它频段造成干扰即可。ISM频段在各国的规定并不统一，表1归纳总结了与我国密切相关的ISM频段的信道分配情况及国家相关使用政策。

2.轨道交通行业使用2.4G和5.8G频段的情况

众所周知，轨道交通行业内基于通信的列车控制系统(列车车-地之间的通信，简称CBTC-Communication-Based Train Control)和乘客信息显示系统(简称PIDS-Passenger Information Displayed System)的车-地之间通信，还有部分城市轨道交通的屏蔽门控制系统均使用了基于802.11b/g标准的无线局域网技术。其实现车-地通信的方式是通过在地铁线路轨旁相隔一定距离重复建设无线AP来实施。CBTC系统的无线AP在轨旁的间隔距离约为300-500米，PIDS系统的无线AP在轨旁的间隔距离约为150-200米(以使用2.4G频段为例)。这种建设方式的优势是基于802.11b/g标准的无线局域网技术，其技术成熟度高，而采用AP接入具有成本较低、通信带宽高、可部分使用商用设备、安装调试方案灵活和施工时间短等优点。例如：北京地铁4号线，10号线；深圳地铁蛇口线、环中线和龙岗线；上海地铁6号线到11号线；广州地铁4、5、6号线、广佛线和APM线等的CBTC系统均使用了基于2.4G频段802.11b/g技术标准；广州地铁所有线路的PIDS系统、1号线的屏蔽门系统也使用了相同的技术。

由于5.8G频段开放的时间比较短，而能完善支持5.8G的协议还比较少(802.11a或私有协议)，相对2.4G频段来说，成熟的商用设备也比较少，从而导致应用在轨道交通或大型工程上的案例还较少。据了解，深圳地铁龙华线的CBTC系统使用了5.8G频段。

3.地铁列车受到干扰的原因分析

地铁线路在建设规划阶段，已经按照2.4G频段的三个互不重叠的频点(1、6、11)进行了频率规划，不会形成本系统内的相互干扰。但是，按照IEEE802.11的规定，目前市场上大部分的无线路由器，部分医疗设备(例如微波治疗仪等)均工作在ISM频段，并且以802.11b/g为标准的产品占了主流，而802.11b/g均工作在2.4G频段，一旦这些设备接近地铁线路，必然会发生频道的重复或交叉，同频干扰和邻频干扰也就必然会发生。

3.1 地下线路受到干扰的原因分析

随着3G的发展，为了随时随地享受到3G无线网络带来的便利，MiFi产品(简称“个人热点”，是一个便携式宽带无线装置)大量上市。通过对市场的调查，发现该产品的无线传输标准为IEEE802.11b/g/n，工作在2.4G频段和5.8G频段。就目前市场情况看，工作在2.4G频段的产品占了主流，随着今后的发展，预计5.8G的产品也会越来越多。由于该产品的便利性，使得人们可以随时随地将它带入办公室、地铁列车、高铁、咖啡馆等一切人类可以到达的地方。一旦将它带入地铁列车，它使用的频点与地铁CBTC系统或PIDS系统使用的频点发生重复的可能性就不可避免，其发射出的2.4GHz频段信号可能覆盖该频段的所有信道，极容易对地铁现有2.4GHz无线通信网络造成同频或解决上面的问题，本文采用的是K型热电偶专用数字转换器MAX6675芯片，MAX6675芯片内部集成了热电偶放大器，内置高达12位的模数转换器。还包括了非线性矫正、冷端补偿、断线检测等功能模块。MAX6675的工作温度范围为-20～85℃，温度的测量范围为0～1024℃，温度分辨率可以达到0.25℃。假设D为A/D转换后得到的数字量对应的十进制数值，那么测量温度值T可以通过如下公式算出：

T?

1024D1024D

(6)?

212?14095

邻频干扰。这就必然会形成对地铁CBTC系统、

PIDS系统和屏蔽门系统的干扰。对CBTC系统而言，会导致地铁列车信号系统故障，表现出来的现象是紧急制动或停车；对PIDS系统来说，会表现出来列车无法正常显示PIDS视频信息，控制中心无法观看列车内的视频监控图像；对屏蔽门系统而言，屏蔽门无法正常开闭。

3.2 地面线路受到干扰的原因分析

相比于地下线路，地面线路受到的干扰因素会更多，这是由于地面线路会穿越于城市中的高楼大厦之中或郊区的空旷地域中。地面线路沿线分布着许多公办室、住宅楼、医院、厂房等。在这些楼宇里，会有无线AP，各种家用电器、医疗设备等存在。其中，无线AP还好，由于其产品标准限制了其发射功率的最大值，加之不像在地下线路车厢中的MiFi那样距离地铁设备那么近，因此无线AP的干扰会相对较小。但是家用电器的微波炉、医疗设备(例如微波功率治疗仪)的功率却很大(最大可到100W)，其工作频率为2.4G频段，它们会对地铁线路的轨旁无线设备形成较大的干扰，这已经是被证明的事实。

3.3 5.8G频段受到干扰的原因分析

2012年8月至11月，深圳地铁2号线、5号线发生多列列车因无线信号干扰而紧急制动的事件，这给地铁运营安全带来极大的风险。在经过认真分析和总结后，国际国内专家一致认为，工作于2.4G频段的无线AP、MiFi、医疗设备微波治疗仪等是造成干扰的元凶。于是，许多媒体和社会人士建议地铁建设者不要再节约那一点点频率使用费，应该避开频率拥挤的2.4G免费频段，转而去使用需要付费的5.8G频段。那么，5.8G频段真的干净吗？是否使用了5.8G付费频段，就可以使地铁列车不受干扰而一劳永逸呢？

通过表1：《ISM频段信道分配及中国国家硬件实现增量式PID控制的主要设计思路。在电阻炉为控制对象的温控系统中，系统工作稳定，在整个过程没有出现震荡和较大波动，并且温度控制精度在始终保持在5%以内；系统的抗干扰能力增强，对现场的各种噪声和干扰具有较好的抑制作用。

参考文献

[1]廖日坤.CPLD/FPGA嵌入式应用开发技术白金手册[M].北京:中国电力出版社,2005.

[2]刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版社,2003.

[3]任爱锋,初秀琴,常存,孙肖子.基于FPGA的嵌入式系统设计[M].西安:西安电子科技大学出版社,2004.[4]陈昭明,白向林,龚晓宏.基于FPGA的数字PID控制器设计[J].重庆科技学院学报,2010,12(2):149-151.

[5]张科,靖固.利用FPGA的增量式PID控制器的研究[J].现代制造工程,2009,3:112-114.

[6]刘爱荣,王振成.EDA技术与CPLD/FPGA开发应用简明教程[M].北京:清华大学出版社,2007.

按照上述程序，在Quartus II完成编译

后，其仿真结果如图5所示。

图5 PID求和模块仿真波形图

3.3 温度检测及输出控制电路设计

本文用到的温度测量器件是K型热电偶，温度测量范围为0～1200℃。热电偶输出的是模拟电压信号，必须进行A/D转换，同时还需对热电偶进行冷端补偿和非线形校正。为了

输出控制电路采用的是PWM(脉宽调制)方式，实现对电阻炉的温度控制。光耦芯片选用MOC3061，用于对强弱电路的隔离，双向导通可控硅选用的是BT137_600E。如果占空比越高，那么相对可控硅导通的时间也就越长，电阻炉加热温度也就越高，反之温度也就会慢慢散热降低，从而达到控制炉温的目的。

4.结语

本文分析了PID算法，给出了在FPGA内部

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