基于EDA的通用模糊-PID复合控制器设计与实现

吴静，程国建，陈群英，徐艳

（1．西安培华学院中兴电信学院，陕西西安，710125；2．中兴通讯教育合作中心，陕西西安，710125）

基于EDA的通用模糊-PID复合控制器设计与实现

吴静1，程国建1，陈群英1，徐艳2

（1．西安培华学院中兴电信学院，陕西西安，710125；2．中兴通讯教育合作中心，陕西西安，710125）

本文在Altera公司专用 EDA软件 QuartusII 9.0平台上设计与实现了基于EDA的通用模糊-PID复合控制器，即基于FPGA实现了由ADC到模糊-PID复合控制器的设计与实现。基于EDA的通用模糊-PID复合控制器不但具有数字传输的可靠性、高效性等优点，还具有硬件语言的实时性特点，并通过功能仿真验证了设计原理的正确性和有效性。

EDA；ADC；模糊-PID复合控制器

0 引言

本文在Altera公司专用 EDA[1]软件QuartusII 9.0平台上采用自顶向下[2]的设计流程设计与实现了基于EDA的通用模糊-PID复合控制器，Altera公司专用 EDA软件 QuartusII 9.0支持原理图与 VHDL语言混合输入设计方式。首先，模糊-PID复合控制器和ADC采用VHDL文本编辑方式；其次，整体系统框图采用原理图输入设计方式。基于EDA的通用模糊-PID复合控制器不但具有数字传输的可靠性、高效性等优点，还具有硬件语言的实时性特点，并通过功能仿真验证了设计原理的正确性和有效性。整体系统框图如图1所示。

图1 整体系统框图

先通过WM8731将模拟信号转化为数字信号，再将数字信号送入模糊-PID复合控制器进行控制输出。

1 模糊-PID复合控制器设计与实现

本文在Altera公司专用 EDA软件 QuartusII 9.0平台上设计与实现了基于EDA的通用模糊-PID复合控制器，模糊-PID复合控制器和ADC采用VHDL文本编辑方式，整体系统框图采用原理图输入设计方式。

1.1 模糊-PID复合控制器的原理

模糊-PID复合控制器[3]的系统结构如图1所示。

图2 模糊-PID复合控制器系统结构图

模糊-PID复合控制器的控制原理：当偏差小于某阈值时，采用PID控制控制；当偏差大于某一阈值时，采用模糊控制[4]。二者的转换由软件根据事先给定的控制方式选择模块自动实现。模糊-PID控制在运行中通过不断地检测误差和误差变化率，根据控制原理来选择控制方式，从而使被控对象具有良好的动、静性能。

1.2 模糊-PID复合控制器的设计与实现

模糊-PID复合控制器由控制方式选择模块控制,其根据偏差信号的大小决定采用的控制方式，当偏差信号小于阈值则采用PID控制，当偏差信号大于给定阈值时采用模糊控制。依据控制原理给出完整的VHDL描述。在QuartusII 9.0环境中对其FPGA系统进行设计、编译和仿真，仿真结果图已省略，详见总图。结果表明：误差e 取值25、30、82、13、6，它们分别与值为20的yuzhi作比较，根据模糊-PID复合控制器的控制原理，即当偏差小于某阈值时，采用PID控制；当偏差大于某一阈值时，采用模糊控制，得到输出56和10，仿真结果表明可以很好地实现PID控制和模糊控制的转换。

2 WM8731的设计与实现

2.1 WM8731芯片介绍

WM8731的数字音频接口是数据的输入输出接口，串行数据的传输支持I2S模式， Right justified 模式，Left justified 模式，DSP 模式，这些模式通过控制字选择。设计中选择Left justified 模式并且让WM8731工作在常规模式下，时序如图4所示。

图3 WM8731工作在常规模式下的时序

其中:

BCLK: 数字音频接口时钟信号（bit时钟）；

ADCLRC: 数字音频接口ADC方向的帧信号；

ADCDATA:数字音频接口ADC方向的数据输出。

2.2 WM8731单元硬件电路设计

依据WM8731工作在常规模式下的时序给出完整VHDL描述。在QuartusII 9.0环境中对WM8731单元硬件电路设计进行编译和仿真，仿真结果图已省略，详见总图。结果表明：当BCLK高电平时，ADCDATA输出转换数据-81、-51、-30、53、-26、-40和76。仿真结果表明可以很好地实现ADC控制转换输出。

3 通用模糊-PID复合控制器设计与实现

整个通用模糊-PID复合控制器设计采用自顶向下的设计方法和模块化的设计思想,即先由VHDL语言输入设计方式分别实现模糊-PID复合控制器WM8731变换，再采用原理图输入设计方式实现基于EDA的通用模糊-PID复合控制器设计与实现。整体系统综合结构图如图6所示。整体系统功能仿真波形图如图7所示。

在QuartusII 9.0环境中对整体系统设计进行编译和仿真，仿真结果图如图7所示。结果表明：先通过WM8731进行模数转换，在BCLK上升沿时输出转换输出信号ADCDATA，并将信号ADCDATA作为误差e送入模糊-PID复合控制器进行控制输出，由仿真图可以看出误差ADCLRC取值69、83、60、6、1和13，yuzhi为20，根据模糊-PID复合控制器的控制原理，即当偏差小于某阈值时，采用PID控制；当偏差大于某一阈值时，采用模糊控制，并且在CLK上升沿时输出44和-7，仿真结果表明可以很好地实现通用模糊-PID复合控制器的转换。

4 结束语

Altera公司专用 EDA软件 QuartusII 9.0支持原理图与HDL语言输入设计方式, 通用模糊-PID复合控制器采用原理图与 VHDL语言混合输入输入设计方式，基于EDA的通用模糊-PID复合控制器不但具有数字传输的可靠性、高效性等优点，还具有硬件语言的实时性特点，并通过功能仿真验证了设计原理的正确性和有效性。

[1]叶雪荣,陈岑,王一行,翟国富.基于EDA的开关电源健康状态评估方法研究[J].系统仿真学报,2015,01:185-191.

[2] EDA技术实用教程（第二版）.潘松,黄继业[M].科学出版社,2005.

[3] 兰文奎,李仕生.半车主动悬架系统模糊PID控制器设计及仿真[J].重庆交通大学学报(自然科学版), 2015,02:148-151.

[4] Marek J, Patyra , Janos L, Grantner. Hardware implementations of digital fuzzy logic controllers[J]. Information Sciences ,1999(113) :19-54.

Designed and Implemented of General Fuzzy-PID Compound Controller Based on EDA

Wu Jing1,Cheng Guojian1,Chen Qunying1,Xu Yan2
(1.School of Zhongxing Telecommunication, Xi’an Peihua University, Xi’an Shaanxi,710125 ;2. ZTE education and cooperation center, Xi’an Shaanxi, 710125）

In this paper, a general fuzzy-PID compound controller based on EDA is designed and implemented based on the QuartusII 9.0platform of EDA, that is, a ADC and fuzzy-PID compound controller based on FPGA are designed and implemented. The general fuzzy-PID compound controller based on EDA not only has the advantages of reliability and efficiency of digital transmission, but also has the real time characteristic of hardware language. And the correctness and validity of the design are verified by function simulations.

EDA;ADC; fuzzy-PID compound controller

图4 整体系统综合结构图

图5 整体系统功能仿真波形图

西安培华学院校级科研课题项目（PHKT16092）