FPGA实现PID控制算法

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描述

一. 简介

相信大家对于PID控制算法,都不感到陌生了,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

FPGA

这个是设置了D为0的情况,可以看到系统的震荡

FPGA

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