【正文】 過(guò)在線辯識(shí)，模型會(huì)變得越來(lái)越準(zhǔn)確，越來(lái)越接近于實(shí)際。自適應(yīng)控制和常規(guī)的反饋控制和最優(yōu)控制一樣，也是一種基于數(shù)學(xué)模型的控制方法，所不同的只是自適應(yīng)控制所依據(jù)的關(guān)于模型和擾動(dòng)的先驗(yàn)知識(shí)比較少，需要在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中去不斷提取有關(guān)模型的信息，使模型逐步完善。此外，還有一些測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的不確定因素進(jìn)入系統(tǒng)。作為外部環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響，可以等效地用許多擾動(dòng)來(lái)表示。任何一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)都具有不同程度的不確定性，這些不確定性有時(shí)表現(xiàn)在系統(tǒng)內(nèi)部，有時(shí)表現(xiàn)在系統(tǒng)的外部。 自適應(yīng)控制是在對(duì)于參數(shù)的選擇時(shí)，它能自動(dòng)修正自己的特性以適應(yīng)對(duì)象和擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性的變化。假定裕亮為515。 （）從上式可以看出，零階保持器將對(duì)控制信號(hào)產(chǎn)生附加項(xiàng)移。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，完成信號(hào)恢復(fù)功能一般由零階保持器H(s)來(lái)實(shí)現(xiàn)。兩邊求拉氏變換可推導(dǎo)出控制器為：D(s)=U(s)/E(s)=s；采用后向差分法近似可得：U(k)=[e(k)e(k1)]/T；兩邊求Z變換可得數(shù)字控制器為：D(z)=U(z)/E(z)=(Z1)/TZ=D(s)︱S=(Z1)/TZ令控制器D(z)的一般形式為[30]：D(Z)=U(z)/E(z)=(b0+b1z1+..+bmzm)/(1+a1z1+..+anzn) ()所以：U(z)=(a1z1...anzn）U(z)+ (b0+b1z1+...+bmzm)E(z) （）上式用時(shí)域表示為：U(k)=a1u(k1)a2u(k2)…anu(kn)+b0e(k)+b1e(k1)+…bme(km)。且有D(z)= D(s)︱S=(Z1)/TZ。本設(shè)計(jì)采用后向差分方法進(jìn)行離散化：由Z變換的定義可知[29]:z=eST利用級(jí)數(shù)展開(kāi)可將z=eST寫(xiě)成以下形式：Z=eST/eST≈1/(1－ST)。 設(shè)假想的連續(xù)控制器為D(S), 控制系統(tǒng)流程(s)離散化為D(z)[29]:U(s)=E(s)D(s)，所以D(s)=U(s)/E(s)。602控制算法實(shí)現(xiàn).，G(s)是被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，H(s)是零階保持器，D(z)是數(shù)字控制器。5） 應(yīng)用軟件quartus完成NIOS系統(tǒng)IP軟核設(shè)計(jì)。3） 熟悉器件組成，完成整體框圖設(shè)計(jì)。 本文主要研究工作 本文主要研究的是基于FPGA高速處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是NIOS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中涉及硬件語(yǔ)言VHDL的應(yīng)用及軟件quartus的設(shè)計(jì)方法學(xué)習(xí)，主要工作內(nèi)容有：1） 了解NIOS系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。自適應(yīng)控制系統(tǒng)是一個(gè)具有一定適應(yīng)能力的系統(tǒng)，他能夠認(rèn)識(shí)環(huán)境條件的變化，并自動(dòng)校正控制動(dòng)統(tǒng)作，使系達(dá)到 或次優(yōu)的控制效果，且隨著FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)技術(shù)的迅猛發(fā)展, FPGA以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用,所以把原由計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的PID控制算法從計(jì)算機(jī)中分離出來(lái),設(shè)計(jì)基于FPGA的通用PID自適應(yīng)控制數(shù)字芯片,內(nèi)具參數(shù)的整定功能。PID控制廣泛應(yīng)用于冶金，機(jī)械，化工等工業(yè)過(guò)?？刂浦?。因此PID控制由于其簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)等被廣泛應(yīng)用于冶金，機(jī)械，化工等工業(yè)過(guò)?？刂浦小ID控制，實(shí)際中也有PI和PD控制。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)難以采用時(shí)，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。 自適應(yīng)PID控制器及其發(fā)展?fàn)顩r(19001940),PID控制思想開(kāi)工始變明確,此時(shí)主要采用氣動(dòng)控制,（1940以后）PID控制器已經(jīng)發(fā)展成為一種可靠的易于應(yīng)用的控制器．現(xiàn)階段PID的實(shí)現(xiàn)一般有兩種方法．一種是以?xún)?chǔ)存器和處理器為基礎(chǔ)，基于軟件方法實(shí)現(xiàn)的．存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)程序，處理器取指令，譯碼，執(zhí)行指令．隨著糸統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜性的曾加，ASIC慚慚的被采用．在嵌入式測(cè)控糸統(tǒng)中，先進(jìn)控制方法以硬件技術(shù)應(yīng)用于片上糸統(tǒng)為嵌入式控制的熱點(diǎn)課題，F(xiàn)PGA的出現(xiàn)也慚慚的成為PID實(shí)現(xiàn)的一種選擇．尤其是FPGA現(xiàn)有越來(lái)越多的IP核心庫(kù)的扶持．用戶(hù)可以利用這些一定意義和預(yù)測(cè)式的軟件模塊在FPGA內(nèi)迅速實(shí)現(xiàn)糸統(tǒng)功能．IP包括從復(fù)雜數(shù)字信號(hào)處理方法，存儲(chǔ)器，控制器，到總線接口和成熟的軟件器等內(nèi)在的一切模塊．因此FPGA技術(shù)的發(fā)展為片上可編程糸統(tǒng)SOPC的實(shí)現(xiàn)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)．而傳統(tǒng)控制有很多的局限性，不構(gòu)靈活，不構(gòu)可靠等．所以自適應(yīng)PID控制的出現(xiàn)必將取代傳統(tǒng)意義上的PID控制．所以基于FPGA的自適應(yīng)PID控制器的開(kāi)發(fā)將事在必行． 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制，又稱(chēng)PID調(diào)節(jié)。NIOS處理器是一種軟核，它描述的并不是硬件實(shí)現(xiàn)，而是對(duì)一個(gè)指令的支持。由于FPGA是可編程的，在FPGA上實(shí)現(xiàn)NIOS處理器可以根據(jù)設(shè)計(jì)者的需要對(duì)特性進(jìn)行裁剪，使其符合性能和成本的要求。NIOS CPU，片內(nèi)外設(shè)，片內(nèi)存儲(chǔ)器和片外外設(shè)的接口都在Altera公司的芯片上實(shí)現(xiàn)，相當(dāng)于在單片上實(shí)現(xiàn)一臺(tái)計(jì)算機(jī)或微控制器。用戶(hù)根據(jù)應(yīng)用選擇配置處理器和各種I/O模塊，還可以在系統(tǒng)中加入擁護(hù)自定義的邏輯模塊，構(gòu)建定制的系統(tǒng)。相比于SOC設(shè)計(jì)，SOPC既有嵌入的處理器、支持電路，也有PLD。SOC是System on Chip的簡(jiǎn)稱(chēng)，稱(chēng)作“系統(tǒng)集成芯片”，其中包含完整系統(tǒng)并有嵌入式軟件的全部?jī)?nèi)容?；蛘邔PGA技術(shù)與DSP技術(shù)相結(jié)合，充分利用DSP的適合于數(shù)字運(yùn)算的特點(diǎn)和FPGA高集成度，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣和實(shí)時(shí)視頻處理。在無(wú)線領(lǐng)域，F(xiàn)PGA技術(shù)已應(yīng)用于TETRA無(wú)線終端。在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，F(xiàn)PGA主要用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；在信號(hào)處理方面，F(xiàn)PGA主要應(yīng)用于視頻采集壓縮、高階高速FIR濾波器、雷達(dá)圖像采集等。(4)動(dòng)態(tài)可重構(gòu)FPGA。(2)系統(tǒng)級(jí)高密度 FPGA。這兩種器件兼容了PLD和通用門(mén)陣列的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路，編程靈活，與門(mén)陣列等其它ASIC相比，又具有設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期短、設(shè)計(jì)制造成本低、開(kāi)發(fā)工具先進(jìn)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛地用于產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)之中。由于EPLD特有的宏單元結(jié)構(gòu)、大量增加的輸出宏單元數(shù)和大的與陣列，使一塊芯片內(nèi)能夠更靈活地實(shí)現(xiàn)較多的邏輯功能。早期的PLD器件的一個(gè)共同特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)速度特性較好的邏輯功能，但過(guò)于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)也只能完成規(guī)模較小的電路。西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)基于FPGA自適應(yīng)PID控制器的NIOS系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文1 緒論由于AD采集，PID控制，DA輸出及雙口RAM等功能模塊計(jì)算要求速度較快，用C語(yǔ)言無(wú)法達(dá)到其運(yùn)算速度，這是就需要采用硬件編程方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如VHDL硬件語(yǔ)言等，同時(shí)RAM或單片機(jī)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)此高速處理，所以FPGA的應(yīng)用成為必然，因?yàn)槠溥\(yùn)算速度可達(dá)納秒級(jí), 其中處理系統(tǒng)NIOS是采用流水線技術(shù)和哈弗結(jié)構(gòu)的通用RISC(Refined Instruction Set Computer,精簡(jiǎn)指令計(jì)算機(jī))[10]處理器，本設(shè)計(jì)在FPGA的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)上完成NIOS系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 FPGA的現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域可編程邏輯器件（Programmable Logic Device, PLD）)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種新型邏輯器件，是目前數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要硬件基礎(chǔ)?？刹脸腅PLD(Erasable Programmable Logic Device，可編程邏輯器件)的基本邏輯結(jié)構(gòu)是宏單元，由可編程的與或陣列、可編程寄存器和可編程I/O三部分組成。20世紀(jì)80年代中期Altera和Xilinx公司分別推出了類(lèi)似于PAL結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展型CPLD(Complex programmable Logic Device)和與標(biāo)準(zhǔn)門(mén)陣列類(lèi)似的FPGA，都具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬等特點(diǎn)。FPGA趨勢(shì)發(fā)展包括四個(gè)方面:(1)大容量、低電壓、低功耗FPGA。(3)FPGA出現(xiàn)與ASIC相互融合。其應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛。在醫(yī)療領(lǐng)域，F(xiàn)PGA在醫(yī)療設(shè)備如心電檢測(cè)設(shè)備、超聲設(shè)備和電子內(nèi)窺鏡中都有應(yīng)用。在控制領(lǐng)域，F(xiàn)PGA已應(yīng)用于微型攀爬機(jī)器人、直流電機(jī)調(diào)速控制器和工業(yè)運(yùn)動(dòng)控制器。FPGA在SOC/SOPC出現(xiàn)了新的應(yīng)用。SOPC是System on Programmable ChiP，即可編程片上系統(tǒng)，是基于FPGA的SOC策略。嵌入的處理器可以是軟核，也可以是硬核。 NIOS系統(tǒng)NIOS系統(tǒng)是采用流水線技術(shù)和哈弗結(jié)構(gòu)的通用RISC(Refined Instruction Set Computer,精簡(jiǎn)指令計(jì)算機(jī))處理器，一個(gè)NIOS處理器系統(tǒng)由NIOS CPU和一系列的外設(shè)組成。所有的NIOS處理器系統(tǒng)使用統(tǒng)一的指令和編程方式。NIOS系統(tǒng)處理器系統(tǒng)的外設(shè)配置具有很大的靈活性，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)實(shí)際需求來(lái)添加必要的外設(shè)，這是NIOS系統(tǒng)與其他固化的微處理器之間最顯著的區(qū)別。NIOS處理器構(gòu)架包括下列功能單元：寄存器文件，ALU,自定制指令邏輯接口，異?？刂破鳎袛嗫刂破?，指令總線，數(shù)據(jù)總線，指令高速緩存和數(shù)據(jù)高速緩存，指令和數(shù)據(jù)的緊耦合存儲(chǔ)器接口，JTAG調(diào)試模塊。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。即當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 在控制理論和技術(shù)飛躍發(fā)展的今天，PID控制由于其簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，仍有其強(qiáng)大的生命力。而傳統(tǒng)的PID控制對(duì)對(duì)象數(shù)學(xué)模型的依賴(lài)過(guò)高，且參數(shù)不便調(diào)整，系統(tǒng)擾動(dòng)明顯，難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制的要求，自適應(yīng)PID將是解決這一問(wèn)題的有效途徑。FPGA最明顯的優(yōu)勢(shì)在于集成度高、體積小、功耗低、可靠性高、電路設(shè)計(jì)靈活,此外,FPGA技術(shù)的快速發(fā)展與VHDL硬件描述語(yǔ)言的支持,以及該軟件語(yǔ)言被IEEE制定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)具有直接關(guān)系。2） 了解控制算法流程，實(shí)現(xiàn)控制算法。4） 運(yùn)用VHDL硬件語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)AD采集程序，F(xiàn)IR濾波程序，PID控制程序，DA輸出程序及雙口 RAM等，并生成IP軟核。6） 實(shí)現(xiàn)整體IP軟核設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)調(diào)試7） 后期思考反饋?，F(xiàn)在的設(shè)計(jì)問(wèn)題是：根據(jù)已知的系統(tǒng)性能指標(biāo)和G(s)來(lái)設(shè)計(jì)出數(shù)字控制器D(z)。將連續(xù)控制器D(s)離散化為數(shù)字控制器D(z)的方法很多，如雙線性變換法,后向差分法，前向差分法，沖擊響應(yīng)不變法，零極點(diǎn)匹配法，零階保持法等。由上式可得：s=（z1）/Tz。同時(shí)后向差分也可由數(shù)值微分中得到,設(shè)微分控制規(guī)律為u(t)= =de（t）/dt。 （）由此可得控制算法的一般形式，其實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程流程圖為： 香農(nóng)采樣定理給出了從采樣信號(hào)恢復(fù)連續(xù)信號(hào)的最低采樣頻率。零階保持器的傳遞函數(shù)為[29]：H(s)=（1－eST)/s （）其頻率特性為：H(jw)=(1－ejwT)/jw=(TsinwT/2)/( wT/2)wT/2。對(duì)于小的采樣周期，可把零階保持器H(s)近似為：H(s)= （1－eST)/s=T(1－ST/2+…)≈TesT （）上式表明，零階保持器H(s)可用半個(gè)采樣的時(shí)間滯后來(lái)近似。則采樣周期應(yīng)選為：T≈(～)/WC （） 其中WC為連續(xù)系統(tǒng)的剪切頻率。自適應(yīng)控制的研究對(duì)象是具有一定程度不確定性的系統(tǒng)，這里所謂的“不確定性”是指描述被控對(duì)象及其環(huán)境的數(shù)學(xué)模型不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機(jī)因素。從系統(tǒng)內(nèi)部來(lái)講，描述被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，設(shè)計(jì)者事先并不一定能準(zhǔn)確知道。這些擾動(dòng)通常是不可預(yù)測(cè)的。面對(duì)這些客觀存在的各式各樣的不確定性，如何設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂谱饔?，使得某一指定的性能指?biāo)達(dá)到并保持最優(yōu)或者近似最優(yōu)，這就是自適應(yīng)控制所要研究解決的問(wèn)題。具體地說(shuō)，可以依據(jù)對(duì)象的輸入輸出數(shù)據(jù)，不斷地辨識(shí)模型參數(shù)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為系統(tǒng)的在線辯識(shí)。既然模型在不斷的改進(jìn)，顯然，基于這種模型綜合出來(lái)的控制作用也將隨之不斷的改進(jìn)。比如說(shuō)，當(dāng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段，由于對(duì)象特性的初始信息比較缺乏，系統(tǒng)在剛開(kāi)始投入運(yùn)行時(shí)可能性能不理想，但是只要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，通過(guò)在線辯識(shí)和控制以后，控制系統(tǒng)逐漸適應(yīng)，最終將自身調(diào)整到一個(gè)滿(mǎn)意的工作狀態(tài)。常規(guī)的反饋控制系統(tǒng)對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部特性的變化和外部擾動(dòng)的影響都具有一定的抑制能力，但是由于控制器參數(shù)是固定的，所以當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部特性變化或者外部擾動(dòng)的變化幅度很大時(shí)，系統(tǒng)的性能常常會(huì)大幅度下降，甚至是不穩(wěn)定。但是同時(shí)也應(yīng)當(dāng)指出，自適應(yīng)控制比常規(guī)反饋控制要復(fù)雜的多，成本也高的多，因此只是在用常規(guī)反饋達(dá)不到所期望的性能時(shí)，才會(huì)考慮采用。不過(guò)，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制，不是簡(jiǎn)單的模擬PID控制規(guī)律數(shù)字化，而是進(jìn)一步與計(jì)算機(jī)的邏輯判斷功能結(jié)合，使PID控制規(guī)律更加靈活，更能滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程提出的要求。對(duì)于微分部分和積分部分可分別做以下近似： () ()由以上各式可得： () ()可知： ()