详解FPGA实现PID控制算法
详解FPGA实现PID控制算法一、简介
相信大家对于PID控制算法都不陌生，平衡车就是靠它平衡起来的，还有飞控的平衡算法也是它，以及FOC中的闭环控制中也是用的它。它不仅简单，而且易于理解。那么本篇文章将简要介绍一下算法的原理，然后带大家使用FPGA来实现（C语言实现过程特别简单）。
二、PID算法
PID取自比例、积分、微分三个英文字母的首字母，意味着算法由这三部分组成。
1、P比例
运算过程为 期望值 减去 当前值 ，然后再乘上一个p系数，就得到了一个反馈值。比例的作用主要是为了让 期望值 与 当前值相等。
2、I积分
将误差值不断累加，然后再乘上一个I系数,就得到了一个反馈值。积分的作用主要是为了消去静态误差，但当前值接近 期望值的时候，这个时候，比例的作用就非常小了，可能会接近于0，而且相邻两次的误差值也近似为0，D微分也起不了多大作用，假如这时候系统外部的阻力和PD反馈值抵消了，这个时候就需要不断的累加这个误差值来使当前值等于期望值。
3、D微分
当前的误差值 减去 上一次运算的误差值，然后再乘上一个d系数,就得到了一个反馈值。微分的作用主要为了减少系统的震荡，在系统变化的方向上，施加一个反方向的反馈，使系统朝这个方向的变化得到抑制。
可以到，PID算法主要涉及到三种运算: 加法，减法和乘法。这三种运行在FPGA上也是很容易实现的。
三、FPGA实现
首先需要注意的是，PID的三个系数均为浮点数，为了便于实现，这里将浮点数扩大100倍，然后取整就可以了。然后将反馈的结果缩小100倍就可以了。
1、P比例实现
实现代码如下，只需要两个时钟周期即可完成。这里通过左移来实现缩小100操作，实际上是缩小了102.倍，不太会影响结果。为了和 I 积分 和 D 微分 运算周期数相同，这里打了一拍操作。//P -------------------------------------------------always@(posedge clk or negedge rst_n)begin if( rst_n == 1'b0) Kp_fb <= 1'b0; else if( pid_en == 1'b1) Kp_fb <= ( desired_value - current_value ) * Kp; else Kp_fb <= Kp_fb;end
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin if( rst_n == 1'b0) Kp_fb_reduce <= 'd0; else if( cal_delay_0 == 1'b1) Kp_fb_reduce <= (Kp_fb >>> 7) + (Kp_fb >>> 9); // /102.4 else Kp_fb_reduce <= Kp_fb_reduce;end
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin if( rst_n == 1'b0) Kp_fb_reduce_d0 <= 'd0; else if( cal_delay_1 == 1'b1) Kp_fb_reduce_d0 <= Kp_fb_reduce; else Kp_fb_reduce_d0 <= Kp_fb_reduce;
end//--------------------------------------------------------------------代码片段：可切换语言，无法单独设置文字格式。
2、I积分实现
实现代码如下，比P比例稍微辅助一点。这里考虑到了一个积分限幅的问题，如果积分值一直累加的话得，可能会导致系统稳定不下来，所以这里设置为3000
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin if( rst_n == 1'b0) Ki_integral <= 'd0; else if( pid_en == 1'b1) if( Ki_integral > $signed('d3000) && ( desired_value - current_value ) > $signed('d0) ) Ki_integral <= Ki_integral; else if( Ki_integral < $signed(-'d3000) && ( desired_value - current_value ) < $signed('d0) ) Ki_integral <= Ki_integral; else Ki_integral <= Ki_integral + ( desired_value - current_value ); else Ki_integral <= Ki_integral;end
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin if( rst_n == 1'b0 ) Ki_fb <= 'd0; else if( cal_delay_1 == 1'b1 ) Ki_fb <= Ki_integral * Ki; else Ki_fb <= Ki_fb;end
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin if( rst_n == 1'b0 ) Ki_fb_reduce <= 'd0; else if( cal_delay_2 == 1'b1) Ki_fb_reduce <= (Ki_fb >>> 7) + (Ki_fb >>> 9); // /102.4 else Ki_fb_reduce <= Ki_fb_reduce;end
//-------------------------------------------------------------------代码片段：可切换语言，无法单独设置文字格式。
3、D微分实现
D微分操作实现如下，按照公式来即可。//D ---------------------------always@(posedge clk or negedge rst_n)begin if( rst_n == 1'b0) Kd_error <= 'd0; else if( pid_en == 1'b1) Kd_error <= ( desired_value - current_value ); else Kd_error <= Kd_error;end
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin if( rst_n == 1'b0) Kd_fb <= 'd0; else if( cal_delay_0 == 1'b1) Kd_fb <= (Kd_error - Kd_last_error) * Kd; else Kd_fb <= Kd_fb;end
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin if( rst_n == 1'b0) Kd_last_error <= 'd0; else if( cal_delay_0 == 1'b1) Kd_last_error <= Kd_error; else Kd_last_error <= Kd_last_error;end
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin if( rst_n == 1'b0) Kd_fb_reduce <= 'd0; else if( cal_delay_1 == 1'b1) Kd_fb_reduce <= (Kd_fb >>> 7) + (Kd_fb >>> 9); // /102.4 else Kd_fb_reduce <= Kd_fb_reduce;end//--------------------------------代码片段：可切换语言，无法单独设置文字格式。
四、仿真验证
测试代码如下，初始化当前值为500，然后根据期望值和PID输出的反馈值，来调节当前值。 always@(posedge clk or negedge rst_n) begin if( rst_n == 1'b0) current_value <= 'd500; else if( pid_ack == 1'b1) current_value <= current_value + out; else current_value <= current_value; end
PID_Control PID_Control_i( .clk ( clk), .rst_n ( rst_n),
.pid_en ( 1'b1),.pid_ack ( pid_ack),
.desired_value( desired_value), .current_value( current_value),
.Kp ( 'd10), .Ki ( 'd1), .Kd ( 'd10), .out ( out));代码片段：可切换语言，无法单独设置文字格式。
仿真波形如下：
这个是设置了D为0的情况，可以看到系统的震荡。
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