如何使用FPGA进行快速浮、定点PID控制器的研究与实现

　　提出了基于FPGA 的快速PID 控制器技术，采用流水线运算方法，具有高速、稳定、精确的实时控制性能，实现了速度和资源的优化匹配。研究并分析了位置式PID 不同算式的特点，完成了浮、定点PID 控制器的硬件实现，提出了溢出、饱和等问题的解决方法，单次运算时间分别达480 ns、120 ns，并对两种控制器的性能进行了分析和比较。设计了单精度浮点数和16 位定点数之间的转换控制器，增强了浮点PID 的普适性。设计了基于FPGA 的全数字逆变焊接电源的实验平台。仿真和实验证明，浮、定点PID控制器均可在强电磁干扰的环境中高速、准确、可靠地运行，具有广泛的实用性。

　　按偏差的比例、积分和微分进行控制的PID 算法是连续系统控制理论中技术最为成熟、应用最为广泛的一种控制技术。随着智能控制理论的发展，出现了诸如神经网络PID、模糊PID、小波PID 等许多改进的PID 算法，从理论上讲，它们能够弥补单纯PID 控制的不足，然而在实际工程应用中，PID 控制器因其结构简单、速度快、可靠性高，仍是绝大部分场合采取的有效过程和运动控制方法。

　　用模拟元器件实现的PID 调节器，受环境、温度等因素的影响较大，精度较低，而且硬件电路一旦搭建完成，改动麻烦。数字式PID 具有抗干扰强、参数整定灵活等模拟控制器无法比拟的优点，在实际的生产过程中被普遍采用。目前采用单片机或DSP 实现PID 算法比较普遍，应用在一些性能要求不是很高的场合。然而无论是单片机或DSP，都采用软件进行编程，在速度和可靠性上有一定的局限和欠缺。该文提出了基于现场可编程门阵列FPGA 的通用数字PID 控制器设计，能够满足高速、高可靠性和精确性应用场合的严格要求。

　　立足于全数字逆变焊接电源的工程背景，采用位置式数字PID 算法，研究了不同算式的特点和应用范围，提出了基于流水线模式的快速PID 算法，并详细介绍了实现的思路和方法。通过程序流程图、功能框图和时序仿真对浮、定点PID 控制器的实现及其若干相关问题和解决方法进行了详细的介绍。在仿真成功的基础上，验证了所设计的定点和浮点PID 算法能够在焊接电源的强电磁干扰环境下可靠稳定地工作，实现电源内环控制的快速和高精度，大大提高了系统的动态性能。