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語言編寫完成，該嵌入式軟件設計主要實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等當前狀態信息，同時將這些實時控制參數及狀態信息寫入雙口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信息。若由鍵盤重新輸入新的溫度設定值，則當系統讀取到該值時，自動查詢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控制模塊進行運算，并將新的參數值及系統實時狀態信息寫入雙口RAM2保存且反饋給NIOS軟核；若無鍵盤輸入。則系統狀態保持不變。

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控制的調節時間短，響應速度快，超調量小，系統的動、靜態性能均有提高。

6 實際運行結果及存在問題
設定恒溫箱的目標溫度為80℃，系統運行中的調節時間為400 s，超調量為5％，在系統穩定運行時加入階躍干擾信號，經約300 s后系統重新趨于穩定，且在此過程中產生的波動較小。
因此，對于具有大慣性、大滯后等特點的溫度控制系統，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程中仍存在一些問題，如模糊規則和隸屬函數的優化、系統抗干擾性能的增強等。因此，仍需進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點控制恒溫箱的溫度。結果表明，該控制系統具有良好的動、靜態性能和魯棒性能，對參數時變具有很好的適應能力，實時計算量小，調校方便，且具有良好的升級性能和靈活性。市場應用前景較好。