[实用新型]基于FPGA的自整定PID控制器

说明书

技术领域

本实用新型涉及工业现场控制领域，更具体地说是一种采用FPGA实现且具有自整定功能的智能PID控制器。

背景技术

目前，在工业控制过程中，80％以上工业控制回路仍然应用着PID控制，许多高级控制都是以PID控制为基础。在PID控制中，控制效果的好坏完全取决于PID参数的整定与优化。实际系统具有许多不确定性因素，例如参数变化，被忽略的非线性，负载扰动，各种检测噪声等。特别是常规调节器的控制参数具有固定形式，且PID控制器参数的整定和优化主要靠现场工程技术人员手工整定，整定的好坏很大程度上依赖操作人员的经验和水平，加之实际系统千差万别，控制对象日益复杂，使PID参数的整定具有相当大的难度，且要耗费大量的人力物力。这些都可能严重影响系统的平稳性和控制精度。对于被控对象稳态和动态品质都是十分不利的。

实用新型内容

本实用新型是针对现有PID控制器参数整定存在的缺陷，提供一种基于FPGA的自整定PID控制器。利用现场可编程逻辑器件FPGA来设置主控制器，选择合适的外围器件，利用FPGA丰富的I/O口、内部逻辑、连线资源和并行计算能力，结合自适应遗传算法对PID控制器参数进行整定。

本实用新型解决技术问题采用如下技术方案：

本实用新型基于FPGA的自整定PID控制器的结构特点是：

由FPGA控制A/D转换器采集系统设定值与被控对象输出的误差信号，所述误差信号一路接入FPGA内部的数字PID控制器，并在所述数字PID控制器中经过比例、积分和微分操作产生被控对象的数字控制信号，所述数字控制信号经D/A转换器向被控对象输出模拟控制信号；所述误差信号的另一路接入FPGA中自适应遗传算法AGA模块，在所述FPGA中采用自适应遗传算法对PID控制器参数进行自整定，并生成所述A/D转换器和D/A转换器的驱动时序。

本实用新型基于FPGA的自整定PID控制器的结构特点也在于：

所述FPGA外接可使系统投入PID控制器参数整定的参数整定起动开关，并外接用于设定A/D转换器和D/A转换器的时钟频率的六位拨码开关。

所述FPGA采用EP1C3T144C8，以LT1086实现系统外部5V电源到所述EP1C3T144C8的IO端的3.3V电压的电源转换，采用LT1587_1.5实现3.3V到EP1C3T144C8内核1.5V电压的电源转换；所述FPGA外接JTAG和AS两种配置模式，采用20MHZ有源晶振提供系统时钟。

所述A/D转换器采用TLC5510，所述TLC5510的八位数字量输出连接到所述FPGA的八个IO端，所述A/D转换器的使能信号连接到所述FPGA的第59脚，并且设置为低电平有效；所述A/D转换器的转换时钟CLK连接到所述FPGA的第72脚。

所述D/A转换器采用THS5651，所述THS5651的数字输入端口直接连接到所述FPGA的IO口，所述THS5651的时钟引脚连接到所述FPGA的第51脚；所述THS5651采用二进制输入格式，其输出信号通过运放THS4001构成的电流电压变换电路将输出的电流信号转变为用于控制被控对象的电压信号，输出电压范围为-5V到+5V。

本实用新型是由FPGA控制A/D采集系统设定值与被控对象输出的误差信号，将采集到的误差信号送入FPGA内部的数字PID控制器，数字PID控制器对误差信号进行比例、积分、微分操作，产生被控对象的数字控制信号，经D/A变换后输出模拟信号便可直接作用于被控对象，进而调节被控对象的输出。误差信号送给数字PID控制器同时，也输入到自适应遗传算法，自适应遗传算法通过误差绝对值时间积分评价函数，对每一组PID控制器参数进行评价，保留较优的，对于适应度较差PID控制器参数个体的不断进行遗传操作，直至找到相对最优的PID控制器参数。整定过程中LED显示整定工作状态，整定结束后输出最优PID控制器参数。

可编程逻辑器件FPGA具有配置灵活，集成度高，尤其是具有出色的并行计算能力。自适应遗传算法是一种模拟生物进化机制的随机全局优化搜索方法，具有很强的全局优化能力及鲁棒性。本实用新型中采用FPGA结合自适应遗传算法对PID控制参数进行调节，将大大提高PID控制器参数的整定效率，提高系统运行的可靠性。

与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：

1、本实用新型采用FPGA结合自适应遗传算法实现的PID控制器使PID参数自动达到优化，采用一键式参数整定，节约了大量人力和物力及时间。