揭秘PID控制器设计

PID控制器的设计过程，一旦被认为是一项复杂的任务，可以简单而直接地实现从PID框图到工作电路，使用FPAA(现场可编程模拟阵列)设备和软件工具-使用设备本身来模拟物理过程。

FPAA器件的硅很容易使用CAD软件工具和cam(可配置模拟模块)进行编程。cam是模块化的FPAA工程构建模块(如滤波器、增益级、整流器和比较器)，它抽象了电路设计，让设计工程师专注于开发系统控制，而不必关心底层电路的细节。使用这种新方法设计的电路可以在几秒钟内更改和下载，促进快速实施和测试。此外，可以自动生成动态控制“C”代码，允许通过微处理器配置和修改FPAA设备。

用cam创建PID控制器很简单，因为工程师是在系统级而不是电路级进行设计的。从“PID控制器”图形的左侧开始，SP(设定点)和PV(过程变量)都通过模拟抗混叠滤波器馈送到偏移补偿和差级。这一阶段产生错误信号e(s)。请注意，由于SP是通过4:1多路复用输入，电路可以编程为在四个预配置的设定点之间切换。然后，误差信号通过一个微分器、一个积分器分别馈送到一个和差放大器，该放大器产生P+I+D控制输出u(s)。最后，信号被送入两极低通滤波器，该滤波器去除噪声和杂散信号，同时阻尼控制动作，以避免可能损坏某些物理系统的突然u(s)移动。实际上，该电路实现了一个带有二阶滤波器的PID控制器，其中Kp为比例增益，Td为导数增益，1/Ti为积分器增益，andë为响应速度参数(滤波器时间常数):

PID控制器整定

为了设计一个控制器，P、D和I增益常数被适当地设置，以达到期望的响应曲线。工程师可能会根据阻尼系数、衰减比、沉降时间、频率响应或其他满足项目控制要求的标准进行调整。工业过程控制中使用的实用设计和调谐技术包括IMC, Cohen Coon, Ziegler-Nichols和Ultimate gain。PID控制器必须根据被控制过程或装置的数学特性进行调整。

除了构建控制器外，FPAAs还可用于创建过程模型的线性近似，从而节省调试和调整PID控制器所需的时间。因此，工程师可以在模拟中调整控制器，或者简单地将工厂和控制器下载到两个单独的FPAA芯片上。利用FPAA植物模型开发了这种PID控制方法，可以对实际植物进行微调。

在FPAA芯片上实现PID控制器。

cam的各种组合可以创建各种各样的植物模型。例如，积分器CAM可以表示纯容量系统。负电压可以表示油箱的输出流量，或“扰动”。“FPAA模型”图形显示了一个模拟的FPAA模型，该模型由一个控制值填充，流出量呈正弦变化。通过最大化整流器的增益并使正弦波“偏转”，可以将正弦变化的输出改变为开/关输出。使用周期性波形发生器来表示任意输出或流入，可以进一步改变流出量。这些模型可以在模拟中运行，然后下载到实际的FPAA设备中。

过滤器的需求

滤波是任何控制系统中不可避免的一部分，无论是用于限频还是相位补偿。

这里描述的FPAA可以用cam编程，实现单极高通、低通和全通滤波器以及两极高、低、带通和带阻滤波器。如果需要更复杂的滤波器，滤波器合成工具可以设计和合成任意复杂的单片多极滤波器。可以在单个FPAA设备中创建一个八极滤波器，并且可以将任意数量的这些设备连接在一起。

实验表明，这些工具生成的滤波器精度高，温度不敏感。这些滤波器直接从拖放波德图或直接参数输入合成，不需要工程师理解或使用组件或滤波器数学。

微处理器控制

带补气阀和周期性流出的储罐的FPAA模型。

工程师可以自动生成配置和控制这些FPAA设备的C代码。工程师将这些C代码作为定制的C子程序库加载到系统中，生成数据段以重新配置和控制FPAA设备。这些数据段被上传到fpaa进程中，根据数据段的大小和系统时钟频率，每个数据段只需要10微秒左右。然后，它们在系统指定的瞬间同时应用，而不会中断设备的操作。

CAD工具可以实现的任何电路配置或参数设置也可以通过该嵌入式C代码实现。FPAA可以提供自适应控制，在多个输入和输出之间复用，并执行多个角色，节省工程时间和金钱。

作者信息

Chris Schene, Victor de la Torre和Mike Waters是Anadigm的软件工程师。

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