1 引言
溫度是工業生產過程中一個主要的被控參數。目前，大多采用常規PID控制器實現對溫度的控制。PID控制器具有結構簡單、易于實現且魯棒性好、可靠性高等優點，對可建立精確數學模型的定常系統具有很好的控制效果，但由于實際溫度控制系統工況復雜、參數多變、大慣性、大滯后，常規PID控制器難以對其高精度進行控制。模糊控制魯棒性強，無需被控對象的精確數學模型，只依賴于操作人員的經驗知識及操作數據，非常適用于控制非線性、時變和滯后系統，但其靜態性能較差，因此應用范圍受很大限制。針對這些問題，這里提出一種基于FPGA的溫度模糊自適應PID控制器設計方案，該方案將傳統PID控制與現代模糊控制相結合，應用模糊推理方法實現對PID參數的自動整定。由此，經MATLAB仿真驗證該控制算法的可行性，將其應用于恒溫箱的溫度控制。該控制器對恒溫箱控制系統的控制效果明顯優于常規PID控制器。
2 模糊自適應PID控制原理及結構
模糊自適應PID控制基本原理：以誤差e和誤差變化ec作為輸入，運行中不斷檢測e和ec，并利用模糊規則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表調整參數，滿足不同時刻的e和ec對PID參數自整定的要求，利用模糊規則在線修改PID參數，以使被控對象具有良好的靜態、動態性能。模糊自適應PID控制系統結構如圖1所示。
常規PID控制器作為一種線性控制器，其離散的控制規律為：
對于系統被控過程中不同的|e|和|ec|，PID參數Kp、KI、KD的自整定原則如下：
(1)誤差|e|較大時，為加快系統的響應速度，使系統具有快速跟蹤性能，應取較大Kp和較小KD。同時，為了防止積分飽和。避免系統超調過大，應限制KI或使其為零。
(2)誤差|e|和|ec|中等時，為使系統超調較小，應取較小KP，適當KI和KD，特別是KD的取值對系統響應影響較大(一般取值較小)。
(3)誤差|e|較小時，為使系統具有較好穩態性能，應取較大KP和KI。同時，為避免系統在平衡點附近出現振蕩，應取合適的KD值。|ec|較大時，取較小KD；|ec|較小時，取較大KD。
考慮到上述原則，在該設計中，模糊控制器采用2輸入，3輸出的結構。以誤差e和誤差變化ec作為輸入，經量化和模糊化處理后，查詢模糊控制規則表，得到模糊輸出量KP、KI、KD，再經解模糊和量化因子輸出精確量，并將該輸出量與傳統PID相結合輸出系統的控制量。輸人語言變量e和ec以及輸出語言變量KP、KI、KD的模糊集論域均設為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}，取相應論域上的語言值為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。考慮到對論域的覆蓋程度及靈敏度，魯棒性和穩定性等原則，各模糊子集隸屬度函數均采用三角形隸屬函數。
模糊規則采用“if e is A and ec is B then KP is C and KI isD and KD is E”的方式，控制器參數模糊推理過程采取Mam-dani直接推理法，“與”運算采用極小運算，“或”運算采用極大運算，模糊蘊含運算采用極小運算，模糊規則綜合采用極大運算，去模糊化采用重心法且其計算公式為：
根據PID參數調整原則，輸出量KP、KI、KD一輪決策將最多涉及147條推理規則。
3 恒溫箱溫度控制系統硬件電路設計
溫度控制目前大多采用以單片機或CPU為核心的控制系統，這些以軟件控制和運算的系統相比于硬件系統速度要慢、實時性差且可靠性低。
FPGA作為一種新型的數字邏輯器件，具有集成度高、可重復編程、邏輯實現能力強、設計靈活等特點，使用其內部邏輯模塊單元實現所需功能，各個模塊并行運行，這使得系統運算速度快、實時性強。與傳統的基于CPU并行計算不同，FPGA內部結構真正實現并行計算，不是宏觀上并行而是微觀上分時運算。
該設計采用Ahera公司的Cyclone系列FPGA器件EP1C12為核心控制器來測量與控制恒溫箱內溫度。通過鍵盤向FPGA輸入設定溫度，現場溫度參數由熱電偶傳感器轉換成電動勢信號，經A／D轉換和濾波后，將實時的數字測量值送入FPGA。FPGA將比較溫度的設定值與測量值，經模糊自適應PID控制算法運算處理后，輸出相應控制信號，確保恒溫箱內溫度變化范圍始終保持在設定值的誤差范圍內。系統的液晶顯示用于實時顯示控制系統的當前溫度值、溫度變化曲線、參數配制等信息；鍵盤用于設定控制系統的初始定值及初始參數信息；Flash，SDRAM，I2C等用于實現存儲空間的擴展。圖2為系統整體硬件結構框圖。
此外，在FPGA中還集成有Altera公司提供的NIOS II軟核處理器，FPGA一方面通過內部的雙口RAM與其內部的硬件邏輯控制模塊進行通訊，獲取控制模塊的狀態信息并配置其參數；另一方面監控顯示模塊和鍵盤模塊。FPGA內部邏輯示意圖如圖3所示。
模糊自適應PID控制模塊是整個控制系統的核心，可實現模糊參數自整定PID控制算法。為便于實現計算機的實時控制，采用離線計算，在線查表方式。如有需要，只需重新修改控制算法模塊，并重新配置FPGA，就可實現控制算法升級。FPGA內部各硬件邏輯控制模塊均通過VHDL硬件描述語言編程實現。VHDL是一種自上而下的設計方法，具有優秀的可移植性、EDA平臺的通用性及與具體硬件結構的無關性等特點。與用常規順序執行的計算機程序不同，VHDL根本上是并發執行的，這在很大程度上可提高自適應PID溫度控制系統的處理速度，有效提高設計效率，改善溫度控制效果。
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。