基于FPGA的PID控制器_自动化专业.doc

摘 要:工业生产过程往往要求生产装置的温度、流量、压力等参数维持在一定值或者按一定规律变化，以满足工艺要求.PID控制是现代工业过程控制中采用非常普遍的一种控制策略，它可以使参数达到工艺要求.传统模拟PID控制器整定参数不灵活，取而代之的是数字PID控制器.但是由于工业现场各种动力设备不断的启动停止，恶劣的现场环境，严重的电磁干扰，精心设计过的抗干扰设备，都很容易出现控制差错或者程序跑飞，引起输出值的大幅度变化或停止响应.

基于FPGA的PID控制器，由外部微处理器提供PID的参数整定信息，这保留了参数整定灵活的特点.一旦PID参数完成整定，它就处于独立运行状态，再也不受微处理器的影响，最大限度地克服了编程容易跑飞的现象.另一方面，因为采用FPGA技术，控制器具有比普通微处理器更宽的采样处理速度范围.

本文以实际工程为背景，研究的主要内容是熟悉现场可编程逻辑器件的基本原理，掌握数字PID控制器的原理和设计方法.使用QuartusII软件设计包括数字PID总体设计流程图、求偏差模块、比例模块、积分模块、微分模块等部分，最终实现基于FPGA的PID控制器.通过时序仿真和硬件电路的测试验证其实用性.

关键词：FPGA；PID控制；积分分离；Quartus II

目录

摘要

ABSTRACT

第1章 绪论-1

1.1 PID控制器国内外发展现状-1

1.2 可编程逻辑器件的现状及发展趋势-2

1.2.1 可编程逻辑器件的发展概况-2

1.2.2 FPGA的现状和发展趋势-2

1.2.3 本课题的研究内容和意义-3

第2章 开发基础-5

2.1 开发平台Quartus II-5

2.2 硬件描述语言-6

2.3 仿真平台-8

第3章 PID控制算法-9

3.1 基本的PID控制算法-9

3.2 PID控制算法的改进-11

第4章 PID算法各功能模块实现-13

4.1 总体设计方法和功能模块划分-13

4.2 求偏差模块的实现-13

4.2.1 功能描述-13

4.2.2 时序仿真-14

4.3 比例模块的实现-14

4.3.1 功能描述-14

4.3.2 时序仿真-14

4.4 微分模块的实现-15

4.4.1 功能描述-15

4.4.2 时序仿真-16

4.5 积分模块的实现-16

4.5.1 功能描述-16

4.5.2 时序仿真-17

4.6 PID控制器的实现-18

4.6.1 功能描述-18

4.6.2 时序仿真-18

4.7 PID算法改进-20

4.7.1 功能描述-20

4.7.2 时序仿真-20

第5章 结论与展望-23

5.1 结论-23

5.2 不足之处及未来展望-23

参考文献-25

致  谢-26

附录： 控制源程序-27