基于SOPC的小生境免疫PID溫度控制器的設(shè)計(jì)

鮑克+沈笑慧+方源+賴海超

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2016.07.011

摘 要： 介紹了一種基于可編程片上系統(tǒng)（System-on-a-Programmable-Chip， SOPC）的智能溫度控制器的實(shí)現(xiàn)。利用SOPC技術(shù)和FPGA內(nèi)部的NIOS II軟核處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的智能整定、溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)和控制。與傳統(tǒng)的解決方案相比，基于SOPC的小生境免疫PID溫度控制器具有超調(diào)量小、調(diào)整時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的有效性。

關(guān)鍵詞： 小生境； 免疫算法； PID整定； SOPC

中圖分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2016）07-38-03

Design of PID temperature controller with SOPC and niche immune algorithm

Bao Ke， Shen Xiaohui， Fang Yuan， Lai Haichao

（Zhejiang Provincial Testing Institute of Electronic information Products， Hangzhou， Zhejiang 310007， China）

Abstract： This paper introduces the implementation of an intelligent temperature controller based on SOPC （System-On-a

-Programmable-Chip）. The intelligent PID parameters tuning and the real-time temperature detection and control are realized by using SOPC technology and FPGA Nios II soft core processor. Compared with the traditional solutions， the SOPC based Niche Immune PID temperature controller has the advantages of small overshoot and short adjusting time. The simulation results have verified the effectiveness of the proposed method.

Key words： niche； immune algorithm； PID parameter tuning； SOPC

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，溫度是應(yīng)用最為廣泛且最為重要的過(guò)程參數(shù)之一。由于溫度具有大慣性、大滯后的特性，在進(jìn)行PID控制時(shí)很難通過(guò)人工方式獲取較優(yōu)的PID參數(shù)[1]。通過(guò)遺傳算法、一般免疫算法等智能優(yōu)化算法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，也面臨著算法過(guò)早收斂、尋優(yōu)能力不足等缺陷[2-3]。小生境免疫算法是將小生境機(jī)制引入到免疫算法基于抗體濃度的調(diào)節(jié)機(jī)制和多樣性保持策略中的智能參數(shù)優(yōu)化算法。將該算法應(yīng)用于PID參數(shù)整定，可獲取性能良好的PID參數(shù)。

在傳統(tǒng)解決方案中，大多采用以單片機(jī)為核心的溫度控制器[4-5]，但它們都很難解決小生境免疫算法實(shí)時(shí)整定PID參數(shù)所帶來(lái)的性能開銷問(wèn)題[6]，而且單片機(jī)一旦確定芯片型號(hào)，其內(nèi)部資源配置也隨之確定，無(wú)法進(jìn)行后續(xù)的系統(tǒng)升級(jí)。本文提出一種基于SOPC的小生境免疫PID溫度控制器的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法，在常規(guī)溫度傳感電路的基礎(chǔ)上，以小生境免疫算法實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前環(huán)境下最優(yōu)的PID參數(shù)進(jìn)行PID控制，并通過(guò)PWM方式實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以FPGA為硬件核心。首先，由溫度傳感器采集溫度參數(shù)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入FPGA中的NIOS II處理器，NIOS II處理器一方面將實(shí)際溫度參數(shù)通過(guò)UART串口模塊送至上位機(jī)，一方面根據(jù)溫度偏差值運(yùn)算小生境免疫算法得出最優(yōu)PID參數(shù)，并控制PWM模塊輸出控制信號(hào)。系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

其中，On-Chip Memory作為程序的運(yùn)行空間，F(xiàn)lash作為FPGA配置文件以及軟核文件的存儲(chǔ)空間。FPGA上電后將Flash存儲(chǔ)的程序加載到On-Chip Memory中運(yùn)行，CFI控制器核由SOPC Builder自帶的IP核提供。采用SOPC Builder中提供的UART IP核作為與上位機(jī)通信的接口；采用第三方設(shè)計(jì)的PWM IP核用于對(duì)加熱元件的脈沖調(diào)制。

本設(shè)計(jì)選用瑞士Sensirion公司的數(shù)字傳感器芯片SHT11采集溫度信號(hào)，SHT11將溫度感測(cè)、濕度感測(cè)、信號(hào)變換、A/D轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)功能集成到一個(gè)芯片上，在芯片內(nèi)自動(dòng)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，無(wú)需附加外部電路即可連接FPGA。SHT11采用兩線數(shù)字串行接口SCK和DATA，具體電路如圖2所示。

4 結(jié)論

本文將SOPC技術(shù)和小生境免疫算法運(yùn)用于傳統(tǒng)的PID控制，提出了基于SOPC的小生境免疫算法溫度控制器的設(shè)計(jì)方法，解決了溫度控制中PID參數(shù)最優(yōu)問(wèn)題。通過(guò)小生境免疫算法的PID參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該算法下獲得的PID控制器性能較優(yōu)。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 文定都，曾紅兵，何玲.基于遺傳算法PID參數(shù)尋優(yōu)的電加熱

爐溫度控制系統(tǒng)[J].電氣自動(dòng)化，2008.30（4）： 6-8

[2] 王鮮芳，杜志勇，潘豐.基于混沌免疫遺傳算法整定PID參數(shù)[J].

計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2010.46（13）：242-244

[3] 李猛，王琦，代冀陽(yáng).基于小生境混合遺傳算法的PID參數(shù)整

定[J].計(jì)算機(jī)仿真，2009.26（4）：233-236

[4] 王皖慧.基于改進(jìn)免疫算法的電阻爐溫控系統(tǒng)的研究[D].浙

江理工大學(xué)，2012：1-6

[5] 方瑾孜，王蔚生.基于單片機(jī)的激光器精確溫度控制系統(tǒng)設(shè)

計(jì)[J].電氣自動(dòng)化，2013.35（6）：82-83

[6] 劉洪杰，王秀峰，王治寶.改進(jìn)的多模態(tài)遺傳算法及其在投資

組合中的應(yīng)用[J].控制與決策，2003.18（2）：173-176