为了提高过程控制的响应速度，提出了一种基于现场模拟现场可编程控制器（FPAA）的具有自动模糊调节的PID控制器的硬件实现方法。如模拟乘法器，小数求和和除法的circuits电路在八个芯片AN221E04中实现。
个单一电路组合成一个完整的控制器。通过软件编程实现的模糊PID控制器相比，该控制器作为硬件电路实时性良好。为纯模拟电路，控制器的内部传输信号为连续值模拟信号，不需要A / D，与数字电路实现的控制器相比，D / A转换电路具有以下特点：电路简单，运行速度快。真结果表明，基于FPAA的模糊自调节PID控制器具有较小的超调量和较小的稳态误差，并且控制器的响应时间降低到微秒级。糊自调节PID控制器通过模糊推理确定PID控制器的参数。
PID控制器生成控制信号，而无需更改传统PID控制器的结构。样，在保留PID控制卓越性能的同时，它还整合了用户在调整PID参数方面的经验。年来，模糊自调节PID控制器在许多领域中发挥了重要作用，例如过程控制[1-2]，故障检测[3]和HVAC系统[4-5]。现具有自动模糊调节的PID控制器的主要方法有两种：软件编程[6-7]和硬件电路。管软件实现具有控制方便，规则和算法易于修改等优点，但可以满足一般场合的实时性要求较低，但无法实现对实时性要求高的对象的理想结果。
前，需要具有更好实时性能的硬件电路[8]。献[9-11]提出了几种由硬件实现的模糊控制器，主要包括使用PMOS，CMOS和其他专用器件的纯硬件控制电路和器件。管该方法具有快速的处理速度，但是它无法编程，因此缺乏灵活性。一种硬件实现方法是基于现场可编程门阵列（FPGA）。方法解决了灵活性问题。是，FPGA是纯数字电路，其处理速度与模拟电路的偏差仍然很大。了实现更高的运行速度和灵活的配置，恒温阀芯实现具有模糊自动调节功能的PID控制器的最佳选择是使用现场可编程模拟矩阵（FPAA）。FPAA接收，传输和处理的信号是连续的模拟量，比FPGA更有利于与实际对象的交互（不需要模拟-数字或数字-模拟转换）。考文献[12]使用FPAA控制道路和车辆的轨迹跟踪，其信号处理速率是数字电路的8000倍。考文献[13]使用两个FPAA芯片来实现幅度-频率转换电路。个简单的Hodgkin-Huxley神经模拟器。FPAA的优越性能和使用价值逐渐显现。本文中，FPAA芯片AN221E04用于实现模糊控制器的每个单元电路和PID控制器，而微处理器则用于实时配置FPAA芯片以完成PID控制器的在线模糊自动调整。本设计中，模糊自调节PID控制器中包含的模糊控制器电路和PID控制器电路由多个FPAA芯片补充，并且微处理器负责PID控制器的动态配置，如图所示。1.模糊控制器电路的输入变量是两个电压值，在模糊化后的某个点变成一个模糊集，每个输入域分为三种模糊类型：大负值（NB），零（ZE）和大正数（PB）。此，子集有9个模糊控制规则，其形式为：如果X1是Ai，而X2是Bi，则Y是Di。个模糊化过程由隶属函数电路完成。糊推理结构采用akTakagi和ugSugeno提出的推理模型，设计为零阶TS结构，通过寻找小单位进行推理。F（x1，x2）= ∑ni = 1（Ai（x1）∧Bi（x2））di∑ni =1Ai（x1）∧B i（x2）= ∑ni = 1cidi∑ni =1ci（1）其中：∧是一个小运算； ci是两个输入变量的隶属函数的最小值，称为Activation。式（1）的运算由乘法电路，加法电路和除法电路完成。糊控制器的整体结构如图2所示：首先计算X1和X2在各自域上的模糊集的隶属度；然后通过计算小操作获得9条规则的激活级别；最后使用重心法获得模糊控制器的推论输出。在整个控制器的设计中，微处理器充当“ FPAA”芯片之间的桥梁。方面，它根据模糊控制器和PID控制器的参数之间的解析关系，接收来自模糊控制器的推论输出。[15]式（2）计算出KP，KI和KD；另一方面，在计算出的模糊推理输出的基础上，在线配置控制模块“ PID”，以完成控制器的“ PID”模糊自动调整。糊PID控制器子单元包括隶属函数计算电路，小电路，乘法电路，加法电路和除法电路。于模糊逻辑的基本运算单元要进行最小和最大运算，因此它们都可以由集成运算放大器实现。FPAA芯片的核心是高速运算放大器，因此使用FPAA可以实现上述主要子单元电路。外，可以通过AnadigmPID工具来实现PID控制器。下描述了这些子单元的FPAA实现。属函数电路（MFC）示于图3（a）。电路是根据[16-17]中提出的电路结构的基本原理设计和实现的。了满足前后级电路输出的适应性，本研究的隶属函数电路采用了基于PMOS管的电路结构设计。用AnadigmDsigner2中的增益开关模块，将其输入选择参数设置为低电平有效，将比较输入设置为双输入并连接电缆，如图4（a）所示。
电路包含一个电压比较器和一个数控开关。较器输出控制数控开关的触发。试结果显示在图4（b）和（c）中，其中输入电压是峰值为1V的正弦波和峰值为0.5V的方波。们可以看到电路输出是两个输入信号的较小部分。用AnadigmDsigner2中的乘法器模块，调整该模块的参数时要注意时钟的选择：时钟B的频率必须是时钟A的16倍，否则不能满足乘法功能。择时钟A为250kHz，选择时钟B为4000kHz。法电路如图5（a）所示。入是正弦和余弦波，其峰值为1伏V，频率为20kHz。
试输出如图5（c）所示：峰值为0.5V，频率为40正弦波kHz。们可以看到电路实现了乘法功能。项研究需要的加法器是9个输入和1个输出，可以通过调用4个模块sumdiff1来实现。图6（a）所示，每个模块设置为3个输入和1个输出。入为峰值为0.4V的正弦波，输出如图6（b）所示。得的峰值为3.6V的正弦波。糊操作需要一个除法电路.FPAA除法模块改善了模拟除法器精度低，功耗高的缺点，可以满足模糊电路的要求。调整该模块的参数（如乘法器模块）时，时钟B的频率必须是时钟A的16倍，否则将无法满足分频功能。这里，还采用250 AkHz的时钟A和4000kHz的时钟B。割电路如图7（a）所示。
入为与图5（a）所示频率相同频率的正弦波和余弦波，图7（b）所示为测试输出，以获取频率的正切波。同的频率。上述单元电路组合成8个AN221E04芯片，构成图2中所示结构的模糊控制器。果如图8所示：芯片1〜6由9个小单元和乘法单元组成，输出用作芯片7，芯片8的输入通过求和运算获得除法式（1）所要求的除法器和除法器，最后在芯片7中完成模糊除法运算以获得控制器的输出。
用自己的AnadigmDsigner2开发软件工具，AnadigmPID可以轻松设计PID控制器电路。
AnadigmPID是一个功能强大的设计工具，由闭环控制电路辅助。助其图形界面，用户可以轻松定义参数P，I和D。AnadigmDsigner2的主设计窗口中自动生成设计的PID控制器电路。
图9所示，设计的电路符合PID控制系统的框图，用户可以通过根据需要修改输入端子来应用它。节使用两种不同的方法来加载FPAA AN221E04芯片上设计的单元电路。现模糊控制电路的芯片是通过串行PROM（本文使用ECP2系列）提供的，如图10所示：该电路使用AnadigmDesigner2软件以二进制代码编译，然后编译二进制代码通过PC的串行端口传输USB数据，或者将USB写入PROM，并且在电源打开后将FPAA芯片设置为CEb。时，OE降低了。PROM通过DIN将配置数据加载到FPAA的内部ROM中。于实现PID控制器电路的FPAA芯片，使用微处理器加载方法，其接口如图11所示。处理器在不中断FPAA工作的情况下修改其内部虚影存储器的参数。下一个时钟到达时，影子存储器参数被加载到配置存储器中，以便FPAA芯片的参数被动态更新，然后PID控制器自动进行参数调整。了说明FPAA模糊自动调整PID控制器的优越控制性能，与基于软件的模糊自动调整PID控制器相比[18]，控制对象模型为2 /（3s 8）。
[12]中控制上述系统的控制器的仿真图如图12（a）所示。误差输入相同的条件下，根据模糊控制器与控制器参数之间的解析关系，计算出KP= 0.25，KI= PID（式（2））。0.0097，KD= 15.85。使用以上参数配置和仿真了图9中的PID控制器。放后的响应曲线如图12（b）所示。过软件实现自动模糊调整的PID控制器的调整时间为1.13s，充分体现了FPAA处理速度的优势。于过程控制，响应速度和控制精度是衡量控制方案的重要指标。有方法难以同时保证以上两个指标。此，本文提出了一种基于FPAA的自动模糊调节PID控制器的设计方法，以保证控制精度和安全性为借口，解决了由软件实现的模糊PID控制器速度慢的问题。高了控制器的响应速度（延迟调整以微秒为单位）。文的额外研究工作是解决由FPAA实现的模糊控制器的低复杂度问题，并使用更多的模糊逻辑规则来实现推理操作。
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