FPGA实现PID控制算法

发表于 2023/5/10 16:54:23 阅读（1214）

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。