[发明专利]一种SOPC采用模糊PID控制的程序升温控制器

摘要

一种SOPC模糊PID程序升温的控制器，属于催化、能源等化学过程控制领域。其特征将Nios II软核处理器与FPGAIP核相结合实现模糊PID控制器，其中FPGA IP核实现模糊PID控制，Nios II软核处理器实现程序升温控制。FPGAIP核采用Verilog HDL描述模糊PID算法，模糊规则与PID算法结合。Nios II软核处理器程序升温控制调用模糊PID控制器IP核获取输出控制量，通过PWM控制输出给执行部件固态继电器。控制器的输入用3个按键设定段温和段时，7位拨码开关中的1位用于控制器工作状态的控制，6位用于输入段数，提供专用接口以方便组成控制装置。本发明的控制器接口简洁，控制性能符合工程要求，适用于快速温控和程序升温的控制场合，易于大量数据储存和处理。

主权项

1.一种SOPC模糊PID控制的程序升温控制器，该控制器包括FPGAIP核和NiosII软核处理器两个主要部分，其中FPGAIP核用逻辑语言VerilogHDL实现模糊PID控制，NiosII软核处理器用C语言实现程序升温控制中需要的参数设定及IP核调用；NiosII软核处理器调用该IP核时，需要传递控制参数和控制量；其中控制参数是双向的，处理器既可以将其写到IP核，又可以读IP核相关寄存器获得当前控制参数；另外两个部分是数据采集驱动和PWM控制驱动，其中数据采集驱动是处理器用来获得当前温度实测量的数据的，PWM控制驱动是处理器用来控制继电器的通断，从而控制被控对象；其特征在于如下步骤：模糊PID控制的FPGAIP核：1)模糊PID控制的FPGAIP核的结构：该IP核的模糊PID控制的输入有5个控制参数，分别是比例k_p、积分k_i、微分k_d、温度设定值、温度实测值，该IP核的模糊PID控制的输出给NiosII软核处理器的控制量；IP核内部由模糊PID控制和数据通信接口两个部分组成；2)IP核的模糊PID控制：利用逻辑语言VerilogHDL分别描述模糊规则表保存文件名fuzzy.v和PID控制算法，在每个控制周期，先通过查找模糊规则表，获得3个控制参数k_p、k_i、k_d的变化量，再由PID算法求解得出控制量，并保存到并行结构的寄存器组，为程序升温处理器调用该IP核时做好提供数据的准备；3)数据通信接口：数据通信接口用于模糊PID控制与NiosII软核处理器间数据传递；NiosII软核处理器在SOPCBuilder提供了Avalon总线接口，根据控制器传递参数的需求，首先数据通信接口选择定义专用的8个总线接口信号，即时钟信号clk，复位信号rst，地址信号addr，片选信号cs，读控制信号read_n，写控制信号write_n，读数据信号read_data、写数据信号write_data；然后将模糊PID控制看成一个处理器的底层设备，编写设备的硬件描述层代码，实现应用程序与底层设备数据传递；程序升温控制的NiosII软核处理器：(1)程序升温控制的NiosII软核处理器工作状态控制；该处理器有程序升温控制的运行和参数设置两个工作状态；这两个工作状态通过7位拨码开关中的1位开关量(最高位S₇)输入来控制实现的，当开关量为1(S₇为ON)时，该处理器为参数设置状态，为0(S₇为OFF)时，该处理器为程序升温控制的运行状态；(2)NiosII软核处理器控制器的参数设置；当处理器工作在参数设置状态时(S₇为OFF)，用3个按键K₁₀₀、K₁₀、K₁分别表示段温c_i和段时t_i参数的百位、十位、个位，每个键值表示的数据范围为0～9，获得的温度值的范围是0～999℃，时间值的范围是0～999分钟；处理器通过中断方式根据输入的每个按键的按下次数获得参数值，如果用x、y、z分别表示3个按键K₁₀₀、K₁₀、K₁按下的次数，则得到输入参数值的计算方法为xyz＝x×100+y×10+z；连续按下的次数代表该位递增的数字；当温度段从第i-1段切换到第i段时，拨动6位拨码开关使其表示的二进制值与当前温度段i值相等，同时表示上一段i-1输入结束；处理器响应按键中断时，读取拨码开关设置的二进制值作为当前段i的参数值c_i和t_i进行保存和使用；当状态控制拨码开关切换到OFF时，则6位拨码开关的二进制值为当前的段数n，此时多段程序升温参数设定全部结束；(3)NiosII软核处理器控制器的程序升温控制；当该处理器工作在程序升温控制的运行状态时(S₇为ON)，升温控制程序在每个控制周期要读输入的温度实测值，根据段温和段时计算升温速率和当前温度期望值；当处理器通过升温控制程序调用模糊PID控制器IP核时，写入当前温度设定值和当前输入的温度实测值，然后读取IP核计算的控制量，通过PWM控制输出给温控执行部件的固态继电器。