在设计FPGA算法实现九点控制器时，引入了四个辅助变量，可以减少复杂的逻辑判断过程。高温加热炉的控制对象为例，在分析物体数学模型特征的基础上，忽略了三个独立的条件，只选择了六个工况作为有效参数。化FPGA顶级电路的设计结构。K0偏转的动态控制引入偏转，有效地消除了输出波动，有利于提高控制器的稳定性能。验表明，在300°C的条件下，系统的稳态误差小于2°C，上升时间短，控制输出稳定。的九点FPGA控制器设计方法具有算法简单，易于实现的优点。FPGA;九点控制器;温度控制;加热炉; CLC阶段计划：TP273文件编号：A产品编号：1009-2374（2012）03-0040-04概述近年来提出了一种新型智能控制器的九点控制器因为不需要复杂的数学运算，形式灵活多样。前，九点控制器的搜索和应用基于微处理器（MCU），例如单片微计算机。传统的控制算法中，PID控制是工业控制中应用最广泛的，其主要缺点是在控制性能方面无法解决系统性能指标的稳定性，准确性和速度。性的。盾，参数化困难，对象参数的修改敏感，鲁棒性不强。
糊控制特别适合模拟专家控制数学模型的未知，复杂和非线性系统，但控制规则相对较大，设计主要基于经验，然后随着时间的推移重复调整。验，测试过程需要时间。一方面，九点控制器的控制策略是一种逻辑控制，它是根据系统的偏差和偏差的变化率来控制的：没有必要预测精确的数学模型。制系统。为一种新型控制技术，九点控制器可以根据系统输出的变化调整系统增益。具有以下特点：结构简单，灵活，易于实现，适应性强。
前，片上控制器的设计正成为芯片应用的新热点。控制器的实现中，虽然微处理器非常流行，但它可以实现各种控制算法，但它的缺点是它涉及到代码的持续控制，相对运行速度不高足够快，复位不够可靠，并生成程序计数器。行的风险等本文档以FPGA为开发平台，提出了一种设计九点控制器片上控制单元的新方法，一旦简化了方法，FPGA设计过程简化，易于实现。现。点控制器的控制策略基于系统偏差e和偏差变化率（称为“偏差率”），也称为基本逻辑控制器。1说明了由九点控制器组成的控制系统的结构：图1九点控制器的控制系统如图1所示，r是定义值，c是控制系统的输出，也就是说，系统控制的数量。e是差值，即定义值r与系统输出之间的差值，即e = r-c。Uc是九点控制器的输出，由系统偏差e和偏转率决定。前k的偏差率是k小时的差值与前一小时的时间（k-1）之差除以两个相邻时刻之间的持续时间，即例如，采样周期T，如公式（1）所示：1）采样周期在采样过程中是固定的，为了简化计算过程，在采样时使用变化的变化。偏差变化率置于设计中，如公式（2）所示：（2）九点控制器基于偏差e和偏差。率将系统的动态过程分为九个工作条件，称为“工作条件”，每个工作条件对应一个控制器uc输出。个控制输出协调以将系统输出稳定到所需值。点控制器的九个工作条件可以用图2所示的相平面表示，这是分析九点控制器的基本工具。2相位平面由偏差e和偏差变化率组成。图2中，水平轴和垂直轴分别是偏差e和偏转率，并且夹在L1和L2之间的区域构成偏差变化率的零带，两者都位于其中。寸等于±夹在L3和L4之间的区域构成零偏差带，两者的位置分别为±e0。条线L1，L2，L3和L4将相平面整体划分为九个区域，对应于九点控制器的九个控制力。点控制器的控制原理是偏差e为正，输出增加;如果偏差e等于零，则保持输出;当偏差e为负时，输出减小。制器输出：uc = Ki，i = 0，1±2±3±4±（3）在等式（3）中，Ki是运行状态的输出，九个对应的值是K4 ，K3 ，K2 。K1 ，K4-，K3-，K2-，K1-，K0，对应于九个部分I，II，III，IV，V，VI，VII，VIII和IX的对照输出。据控制器9个点的控制原理，九个淇操作参数之间的下列关系被满足：K4 ≥K3≥K2 ≥K1≥K0≥K1-≥K2-≥K3-≥K4-可以参见图2，当e0值较低时，区域IX中的偏差和系统偏转率接近于零，因此区域IX是系统的预期运行条件。点控制器控制的目的是将系统的运行条件从其他区域稳定到区域IX。以看出，e0越小，稳态系统误差越小，系统的跟踪性能越好。
于FPGA的9点控制器的设计9点控制器控制策略的主要思想是使用输入偏差和偏差率条件来确定适当的输出而无需求助到对象的数学模型。大的逻辑。此，九点FPGA控制器的选择可以充分发挥其数字逻辑设计的优势，有利于控制算法的简化。据九点控制器原理，FPGA设计过程分为三个阶段：计算间隙，计算间隙变化率和决策控制输出。差的计算e。于当前间隙k是e（k）= r-c（k），因此只能为FPGA实现一个减法器。
FPGA设计中，当前时间是n，所以：E（n）= RC（n）= R NO {C（n）} Cin（4）在等式（4）中，NOT是反向操作，Cin是进位因为它是一个减法运算，所以Cin应该是1。公式中，距离E（n）可以是负数。了便于操作，避免由于数据极性混淆引起的错误，特别是通过向这些变量添加符号位，其中“0” “用于表示正数，”1“表示正数。常，设定值和实际值是正数。此，目前存在：E（n）= R-C（n）= {0，R} NO {0，C（n）} Cin（5）。算导流率变化率。于时间k处的偏差率，其中e（k）和e（k-1）分别是与时间k和时间（k-1）的偏差。寄存器中将e（k）延迟一个采样周期后，获得e（k-1），然后通过FPGA减法器的操作获得偏差变化率。样，e（k）和e（k-1）都包含符号位。策控制问题uc。统的工作状态是控制算法的基础，根据控制域的工作状态发出相应的控制量。断工作条件包括判断e（k）及其所处的间隔，也就是说分别判断两者的大小相对于±e0和±。
FPGA中，各种操作和数据在硬件中实现。如，为了比较-1和0的大小，在FPGA中，-1由补码表示，如果直接比较导致错误的结果-1> 0。此，当比较数据时在FPGA中，要比较的数据必须设置为符号位，用于确定数据的正负，然后比较相同符号数据的大小。九点FPGA控制器的设计中，工作条件的评估是一个复杂的过程，可以定义四个辅助变量来简化评估过程。当前时间x1（k）= e（k） e0，x2（k）= e（k）-e0，x3（k）= ，x4（k）= – 。FPGA设计中，当前时间为n，上述四个辅助变量方程转换如下：（6）在等式（6）中，X1（n）和X2（n）用于确定偏差的大小X3（n）和X4（n）用于确定偏差变化率的范围。E（n），E0都包含符号位，数据位数相同。此，可以基于X1（n），X2（n），X3（n）和X4（n）的符号位来评估E（n）和±E0和±的大小。如，在等式（6）：X1（N）= E（N） E 0 = E（N） – （ – E0）（7）根据式（7），偏差的条件可得出，即：IF X1（n）符号位为’THEN X1（n）<0 // E（n）<（ – E0）IF X1（n）符号位为'0'THENX1 （n）≥0// E（n）≥（-E0）可见，FPGA设计将九点控制器控制算法转换为仅需要判断X1（n）的符号位，X2（n），X3（n），X4（n）。E（n）的大小与±E0和±进行比较，从系统当前时间推导出工作状态并确定相应的输出控制量，算法简单易用。
Uout控制器输出变量X1（n），X2（n），X3（n）和X4（n）是12位数据，表达式是等式（6）中给出的表达式。FPGA九点设计控制器的推理算法描述如下：IF X1 [11] = 1 //符号位为’1’，X1为负数THEN Uout = 0 //控制器IF在区V〜VII [11] = 0和X2 X3 0IF [11] = 1 THEN U输出= K2 //在区域III的输出为K2 IF X4 [11] = 0和X4 0THEN提供0ELSE X2 Uout = K4 //区域I中的输出为K4 ELSE Uout = K3 //区域II的输出为K3 等，并且可以推导出每种情况的输出。作条件分析中的判断数最初为15次，使用辅助变量最多减少到9次。FPGA九点控制器系统的实现和测试如图3所示。是一个采用新控制器设计和实现的闭环炉温控制系统。FPGA指向主要组件。3基于FPGA的炉温控制系统结构图3所示的控制系统扩展了数据通信接口，具有将编译后的程序代码下载到FPGA芯片中的功能，更重要的是，通过RS232串口的电路接口实现FPGA。点控制器与计算机通信以保存和分析数据：温度采集模块的输入端使用K型热电偶作为温度测量元件，传输标准电压信号至AD转换，然后生成12位温度数据，以传输到九点控制。电器温度控制模块使用PWM控制固态继电器的接通/断开以设定加热功率;时钟控制模块用于分频系统时钟并产生定时采样信号;控制器的输出必须限制在一定的幅度，以确保控制逻辑发出的信号尊重物理设备的容差。实验中，高温加热炉用作温度控制对象。控对象的数学模型的传递函数可以描述如下：（8）等式（8）显示受控对象的比例系数等于1.21，时间常数为1480，纯等待时间。是8.64秒，也就是说，控制对象是一阶纯转移惯性系统。温度变化范围大时，受控对象模型的参数发生变化，因此系统在时间上也是可变的并且是非线性的。常的温度控制要求上升时间尽可能短，过冲要小或没有过冲或稳定性。于加热炉冷却到自然冷却模式并且冷却速度慢，为了保证最小的过冲控制，如果超过控制，则必须迅速降低控制器的输出，以便系统返回控制零区，减少调整时间;对应于K1-，K2-，K3-和K4-新的控制器中的操作条件的操作条件表明系统响应超过或超出，所以在此定义K2- K1- = = = K4 K3- – = 0（9）等式（9）表示在这四个操作条件下控制器的输出为0，以避免受控对象的显着过冲。以看出，K1-，K2-，K3-和K4-的相应条件被组合成单个工作条件，使得九个原始状态被简化为六个。进算法的阶段计划如图4所示。旦工作条件合并，可以判断工作条件的逻辑判断数量从原来的8倍减少到6倍。FPGA设计质量得到优化。
据九点控制器的特性，零偏差带越小，稳态系统性能越好。此，选择零偏转带e0 = 1，偏差变化率为根据加热炉的加热特性设定为零。持控制器输出信号的幅度等于100，并使用Matlab仿真和等式（8）中炉子的数学模型。4九点控制算法的增强阶段计划由于九点稳态性能控制器的主要功能是K3 和K0，因此首先确定这两个参数的值。1显示了在测试中选择的一组典型模拟参数与两组测量参数之间的比较。1 2 100 36 33 30 24 2nd基于各种控制器参数对控制性能影响的模拟测试。K0 = 25，K3 = 36时，Matlab仿真如图5（a）所示，稳态控制效果理想; K1 和K2 的值在K0和K3 之间，在30处选择。择K4 作为最大值100.模拟参数的参数用作背景数据。验测试期间的环境温度约为25℃作为初始值。热炉的工作温度约为200°C至600°C，采集周期为2秒，K型热电偶的测量精度为5，温度设定为300 °C，获得12位的转换分辨率AD和阶跃响应。线如图5（b）所示。图所示，温度曲线超过4°C，误差为3°C，系统输出不稳定，输出值波动上下波动带零偏差。试分析表明K0区域中的控制器强度太大，恒温阀芯即必须降低K0值。了防止系统输出在偏差零带中上下流动，区域K0的输出作为动态控制策略得到改善，即，当该区域中的偏差为正时。K0状态，控制器的输出略大，当偏差为负时，控制器的输出略小。此，在当前时间K0（K）可以被选择成满足E（k）的线性关系如下：K 0（K）= 24 2（K）（10）图模拟和实际测量的5个步骤实验炉温度控制系统响应曲线再次根据等式（10）进行温度控制测试，得到的阶跃响应曲线如图5（c）所示。
）。们可以看到，K0（k）的改性不超过系统输出的1℃，并且系统可以具有小于2℃的错误退出稳态与此同时，系统上升时间不不要改变很多。算法改进之前和之后的K0值和控制性能指标在表2中给出：结论。于FPGA九点控制器设计过程，将控制算法转换为偏差，偏差变化率和工作条件之间的逻辑关系的思想可以利用逻辑设计FPGA。化FPGA设计。优化设计中引入了四个辅助变量，增加的符号位用于简化评估九点控制器操作的复杂过程，大大提高了算法的执行效率。工作条件进行分析并简化工作条件参数。据高温加热炉控制对象的模型特征，将运行状态的输出合并为六个，进一步简化了FPGA的逻辑设计结构，降低了设计成本。于系统控制的稳态性能与K0不一致，因此可以认为是当前输入偏差的线性关系。此，动态计算条件K0（k）建议减少系统的输出波动。FPGA设计的九点控制器应用于控制具有一阶纯延迟惯性特性的高温加热炉的温升过程，设定温度为300℃ °C。试结果表明系统输出超过1°C，稳态误差小于2°C，上升时间约为360秒，控制参数满足预期要求，控制效果令人满意。
本文转载自
恒温阀芯 https://www.wisdom-thermostats.com