基于FPGA的溫度模糊自適應PID控制器的設計

4 嵌入式軟件設計
基于NIOS軟核CPU的嵌入式軟件設計采用C語(yǔ)言編寫(xiě)完成，該嵌入式軟件設計主要實(shí)現人機交互和模糊自適應PID控制模塊監控兩部分功能，總體流程如圖4所示。

溫度控制系統上電啟動(dòng)后，首先初始化系統，然后模糊自適應PID控制模塊讀雙口RAM1獲得控制器的初始參數信息，并進(jìn)行控制運算，根據運算所得結果在顯示屏上顯示當前溫度控制系統的參量及溫度變化曲線(xiàn)等當前狀態(tài)信息，同時(shí)將這些實(shí)時(shí)控制參數及狀態(tài)信息寫(xiě)入雙口RAM2保存，NIOS軟核處理器再由RAM2中讀取數據，獲得模糊自適應PID控制模塊的當前狀態(tài)信息。若由鍵盤(pán)重新輸入新的溫度設定值，則當系統讀取到該值時(shí)，自動(dòng)查詢(xún)模糊控制規則表修改雙口RAM1中的配置參數值，重新代入模糊自適應PID控制模塊進(jìn)行運算，并將新的參數值及系統實(shí)時(shí)狀態(tài)信息寫(xiě)入雙口RAM2保存且反饋給NIOS軟核；若無(wú)鍵盤(pán)輸入。則系統狀態(tài)保持不變。

5 溫度模糊自適應PID控制系統仿真
利用MATLAB的simulink和Fuzzy logic toolbox工具箱仿真模糊自適應PID溫度控制系統，圖5為其仿真模型。在此，假定以恒溫箱為被控對象的傳遞函數為：[0.15，(80s+1)]exp(-2s)模糊自適應PID和傳統PID仿真比較，結果如圖6所示，可看出模糊自適應PID控制比傳統PID控制的調節時(shí)間短，響應速度快，超調量小，系統的動(dòng)、靜態(tài)性能均有提高。

6 實(shí)際運行結果及存在問(wèn)題
設定恒溫箱的目標溫度為80℃，系統運行中的調節時(shí)間為400 s，超調量為5％，在系統穩定運行時(shí)加入階躍干擾信號，經(jīng)約300 s后系統重新趨于穩定，且在此過(guò)程中產(chǎn)生的波動(dòng)較小。
因此，對于具有大慣性、大滯后等特點(diǎn)的溫度控制系統，基于FPGA的溫度模糊自適應PID控制器可取得良好的控制效果且自適應能力強。但在控制器的應用過(guò)程中仍存在一些問(wèn)題，如模糊規則和隸屬函數的優(yōu)化、系統抗干擾性能的增強等。因此，仍需進(jìn)一步完善和修改該控制系統。

7 結論
該設計基于高密度的可編程邏輯器件FP-GA，在傳統PID控制器的基礎上利用模糊控制的優(yōu)點(diǎn)控制恒溫箱的溫度。結果表明，該控制系統具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能和魯棒性能，對參數時(shí)變具有很好的適應能力，實(shí)時(shí)計算量小，調校方便，且具有良好的升級性能和靈活性。市場(chǎng)應用前景較好。