（控制科学与工程专业论文）基于fpga的控制器实现.pdf

j 匪曼一 摘要 f p g a ，即现场可编程门阵列，是一种近期出现的可编程a s t c 器件，可以 实现专用集成电路。满足片上系统设计( s o c ) 的要求，使其成为当前世界可 编程器件发展的趋势。同时随着现代控制的发展，控制理论的完善以及不断 有控制指标要求苛刻的系统需求，传统的控制器由于速度慢，开发周期长等 弱点已经远远不能满足商性能系统的要求和时代的发展。提高可靠性和降低 成本成为改进控制器的关键。 本文将e d a 技术与传统的控制理论相结合，研制了一种全新的基于f p g a 技术之上的p i d 和模糊控制器，并加以优化后应用于f e s t 0 液位控制系统上。 该控制器基于p l d 组成的系统，很自然地避开c p u 的程序跑飞：死循环、 复位不可靠等缺点，最大程度的提高设计效率和系统的可靠性；同时相对于 传统的硬件控制器而言，它的高集成度所需较少外围电路。降低设计成本， 为控制器地实现提供了一种新方案。 此外，本文的模糊控制器对传统规则表进行改进，在被控量接近稳态值 时规则表部分自适应于具体的期望值，消除了稳态值附近的震荡，大大提高 了系统的稳定性。 关键词：f p g a ，p i d ，模糊控制，f e s t o 液位控制，e d a 技术 些! ! 坠! ! 一 a b s t r a c t f p g a ，o rf i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y , ak i n do f p r o g r a m m a b l ea s i cd e v i c e s ， c a l lr e a l i z es y s t e ms p e c i f i c a t i o no fi n t e g r a t e dc i r c u i ta n dm e e tt h ed e m a n do fs o c m e a n w h i l e ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m o d e r nc y b e r n e t i c s ，t r a d i t i o n a lc o n t r o l l e r sc a n n o ta p p e a lt ot h eh i 曲p e r f o r m a n c es y s t e ma n dc a t c hu pt h ee p o c ht e m p ob e c a u s eo f t h e i rl o w v e l o c i t ya n dl o n gd e v e l o p i n gc y c l e h i g hp e r f o r m a n c ea n dl o w c o s tb e c o m e t h ek e y p o i n to f c o n t r o l l e rd e s i g n c o m b i n e de d a t e c h n i q u ew i t ht r a d i t i o n a lc y b e r n e t i cm e t h o d ，t h ed i s s e r t a t i o n d e v e l o p san e wt y p e c o n t r o l l e rb a s e do nf p g a ，i n t e g r a t e dp i da n df u z z y a l g o r i t h m s b a s e do nt h ep l ds t r u c t u r e ，t h ec o n t r o l l e rc a l la v o i dm a n yp r o b l e m sc a s e db yt h e s o f t w a r e e n v i r o n m e n t ，m a x i m i z e t h e d e s i g ne f f i c i e n c y a n d s y s t e mr e l i a b i l i t y m e a n w h i l e ，c o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a lh a r d w a r e c o n t r o l l e r , i t n e e d sl e s s p e r i p h e r a lc i r c u i tb e c a u s eo f h i g h i n t e g r a t i o n ，r e d u c i n gt h ed e s i g nc o s t t h i sp r o v i d e s al l e ww a yt or e a l i z et h ec o n t r o l l e r b e s i d e s ，t h ed i s s e r t a t i o ni m p r o v e st h er u l et a b l eo f t h ef u z z yc o n t r o l l e r t h er u l e s b e c o m ea d a p t a b l ew h e nt h ee r r o r sc l o s et o z e r o ，r e d u c i n g t h ef l u c t u a t i o na n d i m p r o v i n g t h es y s t e ms t a b i l i t y k e y w o r d s ：p i d ，f p g a ，f u z z yc o n t r o l l e r ，f e s t ol i q u i dc o n t r o l ，e d a t e c h n o l o g y i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的煎 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：童趣 ，唧j 年月4 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：彪 ) 时年3 月4 日 第1 章概述 第1 章概述 控制算法通常都是以软件的形式来实现。但是软件通常跑在w i n d o w s 上，可能会因有漏洞而遭到入侵，或者其他原因而导致系统瘫痪，影响了 控制效果。如果以硬件的方式来实现的话，上述问题就不复存在了，从而 大大的提高系统的可靠性。 此外，传统的硬件控制器在生成模块后无法改写，只能适用于特定的 系统，无法适应不同的情况。f p g a 就不一样了，用它生成的模块具有可重 构性，可根据不同需求，自动或半自动地进行选通和重构。从而实现了硬 件的柔性化。 本文通过f p g a 来实现两种典型的控制算法，在力浦公司的l p 3 9 0 0 c p l d f p g a 平台上设计，f o u n d a t i o n 2 1 的软件环境中进行算法的设计，综 合，验证及仿真。在f e s t o 液位系统中完成实验。 1 1 控制器研究现状和发展趋势分析 现代控制的发展，一方面要求提高性能、降低损耗、减少成本，另一 方面又不断地有技术指标极其苛刻的特殊应用的系统需求。可靠性高、实 时性好是对控制系统的基本要求。微电子技术和计算机技术的飞速发展以 及控制理论的完善、仿真工具的日渐成熟，给控制行业带来了很多发展的 机遇【l 】。而传统的基于单片机软件运算的控制系统，由于速度慢、开发周期 长等弱点，已越来越不适应现代高性能伺服系统的要求以及时代发展的需 要 2 1 。 在数据处理量大且实时性和精度要求又高的场合，单片机m c u 已不再 能满足要求删，因此人们自然而然地又想到了数字信号处理器( d s p ) 。近年 来，越来越多的单片机用户开始选用d s p 来提高产品性能，d s p 器件取代 高档单片机的时机已经成熟。采用基于d s p 的专用集成电路，通过复杂的 算法达到同样的控制性能，即降低成本，可靠性又高，并且有利于专利技 术的保密，还可以降低对传感器等外围器件的要求。有时，系统要求进行 离速数据采集，但是仔细分析就会发现一些问题： 第1 章概述 ( 1 1 单片机的时钟频率较低，难以适应高速数据系统的要求，d s p 虽然 可以实现，但是在其速度提高的同时，也提高了系统的成本； ( 2 ) 单片机和d s p 的各种功能要靠软件的运行来实现。执行的速度和 效率较低，软件运行时间在整个采样时间中占有很大的比例。 f p g a 有单片机和d s p 无法比拟的优势。f p g a 时钟频率高，内部时延 小；全部控制逻辑由硬件完成，速度快，效率高；组成形式灵活，可以集成外围 控制、译码和接口电路口i 。 同单片机和d s p 相比较，基于e d a 技术的c p l d f p g a 器件的开发应 用可以从根本上解决所遇到的问题。 最近十年中，大规模超大规模可编程逻辑器件以及现代e d a 技术的发 展已经使得几乎不具备微电子学和半导体工艺专业知识的一般设计人员在 实验室研究集成化的控南器成为可能，也能够进行专用集成电路的开发了， 而且只需要一台计算机、一条编程下载电缆就可以完成a s i c 的基本开发， 如逻辑设计、时序仿真等，其开发语言比较简单，也不必了解很多芯片设 计方面的细节，只需从行为上描述就可以了。正因为这些手段的应用，使 得控制器专用集成电路的研究方兴未艾。 不可否认，在一些系统中m c u 或d s p 与c p l d f p g a 有很强的功能 互补性 4 1 口】。但从长远看，随着e d a 技术的发展，c p l d f p g a 集成水平的 迸一步提高和i p 芯核产业的进一步扩大，新一代平台f p g a 器件不仅比早 期的产品规模更大、速度更快，并且已经能够在单个功能强大的可编程系 统平台器件中集成大量传统上的“片外”元器件，业界已经可在单个可编 程平台器件中实现处理和计算能力、存储器、逻辑单元和附加系统器件的 完全集成”j 。 1 2 现场可编程逻辑器件( f p g a ) 1 2 1 现场可编程逻辑器件概述及其优点 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) ，中文名为现场可编程逻辑门阵 列，是可编程专用集成电路( a s i c ) - - 种( 同类的还包括c p l d ) ，它是美国 第1 章概述 x i l i n x 公司于1 9 8 4 年首先开发的一种通用型用户可编程器件。f p g a 是由 掩膜可编程门阵列和可编程逻辑器件两者演变而来的，f p g a 由可编程逻辑 单元阵列、布线资源和可编程的i o 单元阵列构成，一个f p g a 包含丰富的 逻辑门、寄存器和i o 资源。在f p g a 的布线资源中有快速可编程内连线， 通过这些内连线将排成阵列形式的可编程逻辑单元连接在一起，实现一定 的逻辑功能；f p g a 的密度大，单片中的等效逻辑门从几千、上万甚至多达 数百万，i o 引脚多达4 0 0 个以上，因此，一片f p g a 芯片就可以实现数百 片甚至更多个标准数字集成电路实现的系统 】。 基于f p g a 的结构特点，由其组成的逻辑控制系统优势可以归纳如下： ( 1 ) 具有简单先进的编程方式开发 可编程器件c p l d f p g a 可使用两种输入方式，一是硬件描述语言，二是 原理图输入方式；硬件描述语言h d l 是开发可编程器件和a s i c 最流行的语 言，它具有指令少、编程规范、功能强大等优点；原理图输入法，简单直观，易 学易用；两者结合起来，可形成自上而下层次清晰的设计方法。此 外，c p l d f p g a 采用连接方式，已成为当前世界上各类可编程器件发展的趋 势 8 1 。 ( 2 ) 在线编程 在线编程是c p l d f p g a 突出的特点，它无需改变芯片外部i o 口的连 接线，可直接在用户自己设计的目标系统中或线路板上对p l d 器件编程，这 就打破了使用一般数字器件和p l c 先设计后装配的惯例，而可以先装配后编 程，用在实际系统后还可以反复编程，从而开创了数字电子系统设计技术的 新页。此外，还可以通过红外线编程、超声波编程或通过电话线、因特网 进行在线编程。这些功能在远程控制或军事领域上有特殊的用途。 ( 3 ) 可靠性高 用p l d 芯片组成的系统，很自然地避开c p u 的程序跑飞、死循环、复 位不可靠等缺点，无需采用过多措施就能使系统具有很高的可靠性。 c p l d f p g a 芯片的集成度很高，很多复杂的系统，均能用一片芯片实现，使系 统的可靠性进一步增强。 ( 4 ) 资源利用率高，系统更加灵活 c p l d f p g a 芯片的所有i o1 2 1 均为输入输出双向口，可以根据需要自己 第1 苹概述 定义方向。此外，c p l d f p g a 芯片的规格齐全，集成度也从数千门到数万门， 由于众多芯片可供选择，资源利用率就得到了最大限度的利用a ( 5 1 价格低廉 c p l d f p g a 芯片的性能价格比很高，例如有6 4 个双向i o 口、集成度 为6 0 0 0 个等效门的c p l d 价格仅为几十元。用该芯片组成具有6 4 个输入 输出端口的逻辑控制基本单元价格只须数百元。而具有4 0 个输入输出端子 的p l d 价格要数干元。 ( 6 ) 速度快 c p l d f p g a 的管脚到管脚的延时仅达n s 级，并且逻辑实现是并行工作 其速度远远高于p l c 。当然逻辑控制系统无需如此高的速度，但对于一个综 合控制系统。实时控制也是必须的，这时快速性就是十分必要。高档p l c 也箍 实现实时控制，但其速度无法与c p l d f p g a 相比，价格却很昂贵 9 l 。 1 2 2f p g a 芯片的国内外研究现状及发展动态【1 0 1 自从x i l i n x 公司推出世界上第一块f p g a 芯片以来，f p g a 的速度和 容量都得到了极其迅猛的发展，向高集成度、高速度和低价位方向不断迈 进；不仅具有电擦除特性，而且出现了边缘扫描及在线编程等高级特性： 其应用领域不断扩大，可用于状态枫、同步、译码、解码、计数、总线接 口、串并转换等很多方面，而且在信号处理领域的应用也活跃起来。目前 的f p g a 芯片工作频率已经达到2 0 0 m h z ，容量超过1 0 0 万门。 在国际学术界，f p g a 新结构、f p g a 逻辑设计和物理设计的研究己成 为热点。全球f p g a 市场2 0 0 0 年已达约4 0 亿美元，2 0 0 0 年中国f p g c p l d 市场规模大约为7 0 0 0 万美元。 目前集成电路正向系统级芯片( s o c ) 的方向发展，在s o c 芯片上可以 将微处理器、数字信号处理器、存储器、逻辑电路、模拟电路乃至微光机 电器件集成在一个芯片上。复杂s o c 的设计是一项系统工程，需要组织社会 多方面的人才。 1 0 多年来，国外通过许多高技术公司与大学研究机构的互相合作和支 持逐步达到了目前的水平。由于种种原因我国电子高技术芯片设计领域与 国外交流比较少，国内同行也很少联系，水平相对落后。大学有关专业也 第1 章概述 缺少有经验和有能力的教师，这些都是我们与美国等先进国家的差距扩大 的原因。近几年来由于i n t e r n e t 的普及，国外e d a 工具的引进，许多大f p g a 厂商免费赠送的开发软件，国内产品升级的需求，从国外逐步转移过来的 中小型设计项目，以及年轻的大学毕业生和研究生们的热情，使我们有可 能在比较短的时间内在复杂数字s o c 设计领域赶上去。将传统的控制算法 ( 如p i a 控制，模糊控制) 集成到s o c 芯片上则会大大提高s o c 芯片的灵活 性与有效性，并且缩短了s o c 芯片的设计周期。 1 3e d a 设计方法概述 1 3 1 电子设计自动化( e d a ) 概述 e d a 是电子设计自动化( e l e c t r o n i c d e s i g n a u t o m a t i o n ) 的缩写，它以 计算机为工具，在e d a 软件平台上对以硬件描述语言为系统逻辑描述手 段完成的设计文件自动完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及 优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻 辑映射和逻辑下载等工作。e d a 最大的特征就是强大的逻辑设计方针测试 技术。e d a 仿真测试技术只需通过计算机就能对所设计的电子系统从各种 不同层次的系统性能特点完成一系列准确的测试与仿真操作，在完成实际 系统的安装后还能对系统上的目标器件进行所谓边界扫描测试。这一切都 极大的提高了大规模系统电子设计自动化程度i l ”。 1 3 2 硬件描述语言( h d l ) 概述 硬件描述语言( h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 是硬件设计人员和e d a 工具之闯的界面，它主要用于从算法级、门级到开关级的多种抽象设计层 次的数字系统建模。被建模的数字系统对象既可以是简单的门，也可以是 完整的电子数字系统。硬件描述语言的主要功能是编写设计文件，建立电 子系统行为级的仿真模型，然后利用高性能的计算机对用v e f i l o gr d l 和 v h d l 建模的复杂数字逻辑进行仿真，之后再对它进行自动综合以生成符号 要求且在电路结构上可以实现的数字逻辑网表( n e t l i s t ) ，然后根据网表和 第1 章概述 适合某种工艺的器件自动生成具体电路，最后生成该工艺 条件下具体电路 的延时模型。仿真验证无误后用于制造a s i c 芯片或写入f p g a 和c p l d 器 件中。 在e d a 领域中，一般把用h d l 语言建立的数字模型称为软核( s o f t c o r e ) ，把用h d l 建模和综合后生成的网表称为固核( h a r dc o r e ) 。重复利 用这些模块可以缩短开发时间，提高产品开发成功率，并提高设计效率1 1 2 i 。 1 4e d a 设计方法在控制领域中的应用 具备了可编程逻辑器以及相应的e d a 开发工具，就可以利用某一种或 某几种硬件描述语言实现控制器的集成化，根据现代e d a 设计方法，控制 器的集成设计应该包括以下几种步骤m l ： 1 系统规划 根据控制任务规划整个系统，明确控制对象、控制目的、控制方法等， 按照能否在可编程逻辑器件中实现来划分功能模块。 2 算法研究 新算法的研究和传统软件算法的改进，适用于用e d a 的方法设计实现。 3 系统或子系统的模块化 根据系统的规划，将可以使用可编程器件的功能迸一步细化，形成 些小的可以童接用硬件描述语言或现成模块实现的子模块，并确定各个子 模块的接口，各个子模块通过这些接口构成更大的模块和功能。 4 。模块功能设计 将划分好的子模块的功能按照一定的算法分别设计顶层文件，程序完 成后在e d a 平台上分别进行编译及功能仿真。 5 集成与仿真 根据系统的要求，将设计好的各模块进行组合，形成一个或多个大的 集成功能模块，并对这些大的模块进行功能仿真与时序仿真。 6 控制器的硬件实现 将仿真过的模块通过编程电缆下载到目标器件上，然后对整个系统进 行硬件调试，不合要求的地方随时调整设计软件来改变硬件结构。 第1 章概述 1 5 本系统研究之开发思想 采用f p g a 不仅是电子技术发展的必然趋势，也是衡量产品技术先进 性和竞争力的一个重要标志。基于e d a 的c p l d , r f p g a 的应用和技术推广 将是我国未来电子设计技术发展的主流。这些新型器件的出现，为典型控 制算法的实现提供了更便捷可靠的技术手段，大大拓宽了我们的设计思路， 使得多种控制算法集成在一块芯片上的s o c 系统有了可能，片上系统的出 现，对大幅度降低功耗、提高抗干扰性、增加技术保密性以及减少电路板 面积等都提供了良好的解决方案。 在控制领域中，p i d 是最常用的一种算法，实现这种算法有很多种方法， 传统的微控制器，虽然比较便宜，但是除了一些非常简单的运算场合外， 通常无法取得较好的控制效果，基于效果和价格的综合考虑，可编程器件 是个最佳的选择。 1 4 j 美国控制专家l a z a d e h 在1 9 6 5 年首次提出完全不同于传统数学与控 制理论的模糊集合理论。它把复杂的语言直接转化为计算机能接受和处理 的计算语言。从此以后，模糊控制在理论和工程上都取得了可喜的发展”在 工程上设计了专用或通用模糊控制芯片，比如模糊单片机等。这些模糊控制 器有一个共同的特点是模糊控制器的功能必须通过开发软件来完成，开发 周期长、成本较高、响应速度慢。更重要的是不能嵌入系统中，增加了整 个系统的硬件资源。采用可编程器件来设计模糊控制器可以克服这些不足 。 为此，本系统将控制算法的研究与e d a 技术相结合，用可编程逻辑器 件来实现并集成p i d 和模糊两种控制算法。 1 6 本课题的主要研究工作 本课题侧重予算法理论以及工程实用性研究，所开发的结构化功能模 块具有一定的实用价值，部分已经获得了实际应用。本文成功地完成了p i e ) 和模糊控制算法这两种典型控制算法在f p g a 中的集成，并将其应用于 f e s t o 液位控制系统上。具体章节安排如下： 第1 章概述 第一章概述了可编程逻辑器件f p g a 的背景，作用以及相关定义，分 析了控制器研究现状和发展趋势，分析了目前典型控制算法中p i d 和模糊 算法实现手段上的不足，提出了用f p g a 来实现并进行集成化。 第二章是全文的关键，介绍了整个系统的构成，并对控制对象的模型 进行分析和参数辨识。为下面控制算法中参数的确定奠定了基础。 第三章是算法设计的理论基础。介绍了p i d 和模糊两种控制技术的原 理及在本系统中的实现思想。 第四章前面章节的理论付诸于实践，详细说明了整个系统在f p g a 中 的设计部分，对于实验结果进行分析并对算法加以改进，使系统达到更好 的控制效果。 第五章是全文的总结。总结了本系统开发的研究成果，解决的问题及 系统的不足之处。 第2 章本控制系统的组成及硬件连接 第2 章本控制系统的组成及硬件连接 2 1 系统简介 2 1 1 系统组成 本文f f o a 为s p a r t a n 系列的x c s 2 0 2 0 8 ，最大系统门为2 0 0 0 0 ，控制 对象为f e s t o 液位系统。f p g ax c s 2 0 - 2 0 9 进行控制算法设计，通过 a d 9 d a 2 实验模块上1 2 位的a d 转换芯片采集 瘦位系统的反馈值，在 f p g a 中进行调整，输出控制量，经模版上d a 转换，放大后送入到液位 系统的水泵输入端，控制液位上升速度。整个系统的框图如图2 1 所示： 一一试i 苫磊莅冢；i 图2 - i 系统总的框图 完成控制算法设计验证后，将算法固化在x c s 2 0 2 0 8 并与a i d 转换 芯片l t c l 2 9 6 , d a 转换芯片a d 7 3 9 4 及放大电路制成专用的芯片，成为s o c 片上系统。 2 1 2f p g a 连线图 本文的s o c 片上系统总的连线示意图如下所示： 9 第2 章本控制系统的组成及硬件连接 1 0 1 3 3 ，1 5 习 采样数据输入控制数据输出 图2 - 2s o c 连线示意图 图中所示为本文控制器的f p g a 外围电路示意图，本文所用f p g a 共 2 0 8 个引脚，除了n c ( 闲置脚) ，d o n e ( 程序写入结束) ，p r o g r a m ( 下 载程序脚，该脚与p c 相连) ，p w r d o w n ( 自动关闭电源) ，以及1 6 个时钟， 1 6 个接地端，其余均为1 0 脚，外围电路较传统的硬件电路少很多，设计成 专用芯片，可以降低成本，批量生产，更可带来可观的经济效益。具体的 连线图见图2 3 ，图2 4 。 第2 章本控制系统的组成及硬件连接 图2 - 3x c s 2 0 芯片外围电路图 第2 章本控制系统的组成及硬件连接 1 蜊丰兰一；卜喜誊：誊 量童 蔓 t ! 魍署琏 ：5 ； 。， * 一 。l + 。 ，l i j i 。 。：o 一，： o i o 一j j ti - t ：，； 吖iil - ：、l l t ； 1 1 rifj c q lj ， + 一 一t 。frr - t r 楚美蒸舞尊篚稠；攀耋而i 争 b i 驴毛掣p r 1 r 甾j ：一_ ”f# 剥辫麓曛茸 挪7 酾一 王： ；i 一嚣，驯，；l l l - ，i ! _ _ r - r 阜h ， 一b 简一寸一一 r ： 6 ， 一 ； ： 。 ! ，妇 ， i 。+ e ：i j 咎噩整磐熏：落之誊。 啦 一 。 蠢：一。i 一 - m 墓糍饕薯1 餐1 誊豢耋 i 1 1 l l l 】l l l l 、 - 村、jj 一，一 。 、 ! ：誉丰 # l 。si 黉葶娶；i !啪w h c ： j r r # 鞘车搿芝霉j ，剁擀盏棼薛嵩 -j t 划赫基蠹量骶量； 磁嘏： ：一!? 一：汁k 嚣寒：f = = 二耳拜露 一。一i i - 一r ： 图2 4f p g a 与模数、数模转换芯片连线圈 图2 - 3 是f p g a 芯片的外围电路图，芯片共有2 0 8 个管脚，图2 - 4 中上 半图是模数和数模转换芯片的线路图，i o 脚连接到x i l i n xx c s 2 0p q 2 0 8 的对应脚位上。下半图是数模转换输出接的两极运算放大。 茎! 童奎塑型墨竺墼塑盛墨堡壁堕鲎 一一一 由图中可以看出，本系统的控制器相对于传统硬件控制器而言，需要 外围电路很少，可以降低设计成本，为大批量生产带来良好盼经济效益a 2 1 3 电压放大电路 d a 转换器经过运放后的输出电压范围为0 3 8 v , f e s t o 液位系统中 水泵的控制信号的输入范围为o l o v 我们设计了电压放大电路完成上述两 个信号的放大，使之匹配，具体的设计如下图所示： 图2 - 5 电压放大电路 2 2 设计平台l p 3 9 0 0 及设计环境介绍 本文中所做工作的设计平台是力浦公司的l p 3 9 0 0c p l d ，f p g a 。 l p - 3 9 0 0c p l d f p g a 万用数位逻辑发展系统主要是由一系统平台与6 块实 验模版构成。本设计主要用到l p 一3 9 0 0 f p g a x c s 2 0 2 0 9 芯片模版和 l p - 3 9 0 0 - a d 9 d a 2 实验模版。 2 2 1 l p 一3 9 0 0 - f p g a x c s 2 0 - 2 0 8 芯片模版 l p 3 9 0 0 - x c s 2 0 - 2 0 8 芯片模板主要由一个x i l i n xx c s 2 0p q 2 0 8 芯 第2 章本控制系统的组成及硬件连接 _ 一一一 片，一个e p r o m 芯片插座和一个重置按键三部分构成；x i l i n x x c s 2 0 p 0 2 0 8 芯片提供了不断重新下载与规划新电路的弹性与便利。 e p r o m 芯片烧录成结构数据( c o n f i g u r a t i o nd a t a ) 后插在e p r o m 芯片插座 上，提供另一种规划x i l i n xx c s 2 0p q 2 0 8 芯片的方法。重置按键可使 x i l i n xx c s 2 0 p q 2 0 8 芯片首先脱离使用者模式( u s e rm o d e ) 。进入命令 模式( c o m m a n dm o d e ) 。进行电路的组成与重置后，可以再度进入使用者的 模式工作f 1 6 1 。 2 2 2l p 一3 9 0 0 - a d 9 - d a 2 实验模板 l p 3 9 0 0 a d 9 d a 2 实验模板包括一个a d & d a 电路模组f 8 组1 2 b i t a d ，2 组1 2b i td a ，l 组8b i t 刖d ) ，它可控制a ，q 3 & d f a 的转换，而 转换的结果可以配合l p 一3 9 0 0 l e d k e y l 6 实验模板上的6 个共阴极七段 显示器显示，也可以用4 组l e d 灯显示让实验结果更加明确。 2 2 。3 软件平台 l p 3 9 0 0c p l d f p g a 万用数位逻辑发展系统的软件环境是x i l i n x f o u n d a t i o ns e r i e s2 1 。 2 3 实验对象 我们的实验对象是一套从德国引进的f e s t o 液位系统的教学演示设备， 原本是用p l c 控制的。我们将模拟超声波传感器输出的4 2 0 m a 的电流通 过串接一个o 5 k 的精密电阻转化为1 5 v 的电压值，方便f p g a 实验板进 行采样。泵的控制部分用l p 3 9 0 0 的a d 9 d a 2 实验模块上1 2 位的d a 转 换芯片输出o 3 8 v 经过放大后的信号，其工作电源采用f e s t o 过程控制设 备中的2 4 v 稳压电源。 我们的实验对象是液位。下位水缸的水能被水泵上抽水马达抽向上位 水缸，水缸中的水由于重力作用会流向下位水缸，这是一个动态平衡的过 程。最终我们的系统将通过合适的算法将液位控制在一定的值上，并满足 箍2 章本控制系统的a i 成及硬纠：连接 静手刷箭种动态标准的要求。 液化控制子系统的卡要组成为：容器、液化传感器、泵、以及丰n 应的 管路。各设备的参数说明如f 7 ： 所示 容器： 容积 近似1 2 升 长1 9 0 r a m 线性连接 宽2 4 0 r a m 高 3 8 5 m m 15 r a m 直径管道 模拟超声波传感器： 允许操作电爪 2 4 vd c空载消耗电流 负载电阻 f ，得 y - 1 - e x p ( - 字) y ( f 2 ) - l e x p ( 一字) 对上述两式的两端去自然对数有 一t i ：- - - t ：1 n 【1 一y ( ，1 ) 】 r 7 ”“ 一t 2 f - - t ：h 1 一，( r 2 ) 】 r 7 、纠1 联立求解，可得 k 而而t 2 丽- t t 弘世l n 1 - 迹y ( t , 龃) - i n 黔 1 - y 斜f t , ) 1 沼a ， i n 1 一y 0 i ) 】一l l l 1 一y + ( 岛) 】 一。=：=22。6) 第2 章本控制系统的组成及硬件连接 根据图2 7 我们取两组数据，并将y + ( f ) 转化为无量纲 代入( 式2 - 6 ) ，得 r = 8 4 ，r = 3 3 3 4 8 2 盘：兰盟二地2 ：l o _ a 4 ：2 9 ，7 “3 5 g ：三生e - 3 5 3 4 n s( 2 7 ) 8 4 s + 1 式2 7 为对象的模型，通过m a t l a b 的数值仿真功能可以对所获得的 模型进行仿真。 仿真结果如图巳7 中红线，实际采样值见白线，由于在初始状态时液位 波动较大，所以在初始有很多扰动，在8 0 0 0 0 秒附近的许多毛刺是由于水 箱上的活塞造成的。因此我们进行液位控制时应该避免这些不稳定区域。 2 5 本章小结 本章主要对整个控制系统的组成进行了详细介绍，包括整个系统的连 接。以及系统设计平台，并讨论了控制对象液位控制系统的辨识方法 和过程。首先采用d a q c a r d - - 6 0 2 4 采样卡以及f e s t o 工程控制试验设备 构成所需的数据采样系统；最后对采集数据进行辨识，得到过程模型并进 行验证。 本章既是论文的重点也是相继章节的铺垫。特别是所得到的一阶加 滞后模型将用于估算后面控制算法的参数。 第3 章系统控制算法 3 1 概述 第3 章系统控制算法 比例，积分，微分( p i d ) 控制是控制系统中历史最悠久、生命力最强 的基本控制方式。随着科学技术的发展特别是电子计算机的诞生，涌现出 许多新的控制方式，然而直到现在由于其自身的优点它仍然是应用最广泛 的基本控制方式。 模糊自动控制是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础 的一种计算机控制技术。从线性和非线性的角度来看，模糊控制是一种非 线性控制，从控制器的智能和非智能角度来看，它属于智能控制的范畴， 是实现智能控制的一种重要而有效的形式。 本章首先介绍p i d 技术和模糊控制技术的基本思想，然后给出了设计 p i d 控制器的基本方法和模糊控制器的基本步骤，最后将这些方法应用于本 文系统的