PID控制器的FPGA实现

在小车的自主避障时发现，给定两个电机的速度参数值是一样的，但是两个轮子却走的不一样快，究其原因我没有对小车进行闭环控制，因此，现在开始做PID控制了。

本文前面的说明，一串的公式截图都来自某硕士论文，人家写的真不错，我这里引用了，verilog是自己来完成的。

理论部分：

PID算法及其FPGA实现

PID控制器结构清晰，参数可调，适用于各种控制对象，PID控制器的核心思想是针对控制对象的控制需求，建立描述对象动态特性的数学模型，通过PID参数整定实现在比例，微分，积分三个方面参数调整的控制策略来达到最佳系统响应和控制效果，式子如下：

在数字控制系统中，PID控制规律的实现必须用数值逼近的方法。当采样周期相当

时，用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID离散化变为差分方程。

式子3.8就是我们的位置式PID算法：

下面就是我们要实现上式PID算法。

PID的FPGA实现：

得到：

Verilog实现：

`timescale 1ns / 1ps ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Company: // Engineer: // // Create Date: 21:02:51 05/14/2014 // Design Name: // Module Name: pid // Project Name: // Target Devices: // Tool versions: // Description: // // Dependencies: // // Revision: // Revision 0.01 - File Created // Additional Comments: // ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// module pid( input clk, input rst_n, input [8:0] error, output reg [16:0] uk ); //reg [16:0]uk; wire [16:0]uk_wire; reg [8:0]error_1,error_2; parameter k0=5; parameter k1=1; parameter k2=1; always @(posedge clk) begin if(!rst_n) begin error_1<=0; error_2<=0; end else begin error_1<=error; error_2<=error_1; end end // reg [14:0]uk1; always @(posedge clk) begin if(!rst_n) begin uk<=0; uk1<=0; end else begin if((uk_wire>17'd15000)&&(uk_wire<17'b1000_0000_0000_00000)) begin uk<=17'd15000; end else begin uk1<=uk[14:0]; uk<=uk_wire; end end end wire [14:0] p0; mult u1 ( .b ( k0 ), .a ( error ), .p ( p0 ), .clk(clk) ); wire [14:0] p1; mult u2 ( .b ( k1 ), .a ( error_1 ), .p ( p1 ), .clk(clk) ); wire [14:0] p2; mult u3 ( .b ( k2 ), .a ( error_2 ), .p ( p2 ), .clk(clk) ); wire [15:0]s1; add u4 ( .a ( p0 ), .b ( p1 ), .s ( s1 ), .clk ( clk ) ); wire [15:0]s2; add u5 ( .a ( p2 ), .b ( uk1 ), .s ( s2 ), .clk ( clk ) ); add2 u6 ( .a ( s1 ), .b ( s2 ), .s ( uk_wire[16:0] ), .clk (clk) ); endmodule

Testbench：

`timescale 1ns / 1ps //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // Company: // Engineer: // // Create Date: 21:34:28 05/14/2014 // Design Name: pid // Module Name: J:/xilinx_project/pid/test.v // Project Name: pid // Target Device: // Tool versions: // Description: // // Verilog Test Fixture created by ISE for module: pid // // Dependencies: // // Revision: // Revision 0.01 - File Created // Additional Comments: // //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// module test; // Inputs reg clk; reg rst_n; reg [8:0] error; // Outputs wire [16:0] uk; // Instantiate the Unit Under Test (UUT) pid uut ( .clk(clk), .rst_n(rst_n), .error(error), .uk(uk) ); initial begin // Initialize Inputs clk = 0; rst_n = 0; error = 0; // Wait 100 ns for global reset to finish #40 rst_n=1; #20 error=9'b001111111; #200 error=9'b000111111; #200 error=9'b000011111; #200 error=9'b000001111; #200 error=9'b000000111; #200 error=9'b000000011; #800 error=0; #200 error=9'b111000000; #200 error=9'b111110000; #200 error=9'b111111111; #800 error=0; // #200 error=9'b100000001; // Add stimulus here end always #10 clk=~clk; endmodule

中途中mult的实现可以使用LUT或者DSP资源（上一篇博客也有说）

另外在modelsim安装和编译xilinx库时，后面那个是在modelsim建立工程才要指定的，我这里是直接从xilinx中启动modelsim se的，（前提是要将xilinx的编译库添加进modelsim）。

Project-》design properties

Edit-》Preferences

Process-》Process Properties

仿真结果：

不同于altera-modelsim中，那里是要指定vt文件，然后仿真即可，这里没有指定testbench文件：

有几次我鼠标点在uut-pid这里，然后点击simulate，结果可想而知，是不正确的，要点击testbenchtest这个文件，在仿真。

为了在modelsim查看波形，format-》anlogy（custom）

根据幅值设置一个比较合适的参数。

这个就是PID的仿真输出了，但是要真正用上PID的话，还要慢慢调参数了。

NANO2的试用快结尾了，感觉没做出什么对他人很有用的东西，倒是自己借着这次试用，对xilinx的FPGA有些提高了，最后一篇希望写这个小车控制的整体的完整实现，希望那个时候能大致做完。