FPGA在压力表自动校验系统设计中的应用

对于压力表自动校验系统来说,产生高精度的、稳定的定点压力是整个检定系统的关键,这就对标准 压力的控制方法和硬件电路实现提出了特殊要求。本文将EDA技术与控制理论相结合，以FPGA为硬件核心，提 出了一种基于模糊自整定PID算法的压力表自动校验系统。该方案充分发挥了 EDA技术的优势，由硬件描述语 言实现的硬件电路解决了快速、并行运算的问题，从而实现高速的PID控制。

0.引言

压力测量仪表是工业生产过程中不可缺少的 测量设备，大量应用于各种生产中。为了保证压力 测量仪表的准确、可靠,必须对压力测量仪表进行 定期检定。针对油田压力仪表现场校验的特殊需 要,提出开发一种内嵌压力源、能全自动完成校验 过程的一体化压力表自动校验系统。对于压力表 自动校验系统来说,产生高精度的、稳定的定点压 力是整个压力表自动检定系统的关键。本文将 EDA技术与控制理论相结合，以FPGA为硬件核 心,提出了一种基于模糊自整定PID ( Proportional Integral Derivation)算法的压力表自动校验系统。

1.方案设计与论证

本系统采用基于Altera公司的Cyclone II系列 的EP2C35 FPGA芯片作为校验系统的控制核心，负 责与外设的接口控制和自身的逻辑运算。因为标 准压力表输出的4 ~20mA是模拟信号，不能直接输 人FPGA，通过AD转换模块，将模拟信号转换成数 字信号,FPGA读人压力信号和通过键盘输入的控 制命令,通过内部的基于模糊自整定PID算法，输出一定的脉冲给步进电机控制器，驱动电机工作产 生需要的定点压力，并经过液晶模块实时显示相应 的压力数值。下面在系统总体组成框图的基础上 简要介绍几个主要部分的方案设计。系统总体组 成框图如图1所示。

1.1FPGA 选择

经过十几年的发展，许多公司都开发出了多种 可编程逻辑器件。Altera公司是最大的可编程逻辑 器件供应商之一,本设计采用Altera公司的Cyclone II系列的EP2C35作为FPGA芯片。该芯片容量为 33216个逻辑单元，门电路高达70万门，拥有484K 片内RAM，具有上百个I/O 口；除此之外，还提供了 锁相环及运行频率能高达250MHz的内嵌乘法器。

1.2标准压力表的选择

选择标准压力表应考虑以下几个因素：首先是 压力表的精度，标准压力表的精度应尽可能的高， 至少应比被测仪表高两个数量级。其次是标准压 力表的可靠性要高，要经久耐用。基于以上原则， 我们选择某有限公司的 C0NST211系列的数字压力表,测量精度为0_ 02% FS~0.2%FS。完全满足精密压力测量和一般压力 表、精密压力表等压力仪表的校验工作。

2.理论分析与计算

产生高精度的、稳定的定点压力是整个压力表 自动检定系统的关键，标准压力控制的难点在于如 何兼顾压力产生的精度及速度。目前，PID控制一 直是比较常用的控制方法,优点在于其稳定性比较 好，结构相对简单。但另一方面，对于具有时变或 者滞后等特点的复杂系统，PID控制器就难以发挥 其特长。模糊控制理论的出现,解决了 PID在这方 面的弱点。自从模糊控制理论提出以后，其发展非 常迅速，但控制规则也随之变得复杂，使得系统的 软硬件也相对变得复杂，因此对速度的要求也随之 变高 了。在 EDA ( Electronic Design Automation )技 术不断发展的基础上，现场可编程门阵列FPGA (Filed Programmable Gate Array)技术也日趋发展成 熟。设计的灵活性、集成度和可靠性得到了空前提 高。因此利用FPGA技术实现PID控制器及模糊 PID控制器具有现实的意义。

2.1模糊PID控制器简介

模糊PID控制是以模糊集合论,模糊语言变量 和模糊逻辑推理为基础的一种数字控制，它以误差 e和误差变化ec作为输入,利用模糊控制规则在线 对PID参数进行修改，以满足不同误差e和误差变 化e。对控制参数的不同要求，使被控对象有良好的 动、静态性能。模糊PID控制系统结构框图如图2 所示。

FPGA中实现模糊控制可用2种方法:一种是 直接用硬件实现模糊算法，但设计复杂,硬件消耗 大；另一种是采用MATLAB离线设计，得出模糊控 制表,然后通过快速查表法实现模糊控制。这里采 用后者。

2.2模糊控制PID快速査表法简介

快速查表法的基本思想是通过离线计算取得 kp,kkd的模糊控制表，

并将这些模糊控制表存放 在内存中。当模糊PID控 制器工作时，只需根据当

目!J时刻的误差和误差变化图3快速査表法结构图 来找出当前时刻的kp、kt、

K的值,快速查表法结构图如图3所示。

快速査表法设计的关键在于\人、h的模糊控 制表，求取模糊控制表的流程如图4所示。

快速査表法设计模糊PID控制器的具体步骤如

下：

1) 确定模糊PID控制器的变量 本设计是一个两输入三输出的系统，选取压力 设定值和测量值的误差e和误差变化ec作为输入, PID控制参数kp太、kd

2）作为输出确定论域和量化等级

取误差e和误差变化~的论域为[-6,6]，\、 的论域也为[-6,6]。所有语言变量的量化 等级都为 13 级，即{ -6, -5，-4，-3，-2，-1,0, 1,2，3,4,5,6}。

3）确定模糊子集和隶属度函数

取输人语言变量的模糊子集为负大、负中、负 小、零、正小、正中、正大，分别用NB,NM，NS，ZO， PS,PM,PB表示输出语言变量的模糊子集也为负 大、负中、负小、零、正小、正中、正大，分别用NB， NM,NS，ZO，PS，PM,PB表示，隶属度函数如表1 所示。

4)确定A、kd模糊控制规则 模糊控制规则实质上是将技术人员的控制经 验加以总结而得出一条条模糊条件语句的集合。 确定模糊控制规则的原则是必须保证控制器的输 出能够使系统的动静态特性达到最佳。所以模糊 控制规则是决定控制器性能的关键因素，一般根据 设计者现场经验和专家的经验来设计。Hk,的 模糊控制规则表如表2、表3、表4所示。

5)求取\人.、匕模糊控制表 模糊推理方法有Zadeh推理法、Mamdani推理 法和Baldwin推理法等，本设计采用Mamdani推理 法的Max - Min模糊合成算法进行推理。以kp为 例:设系统误差e的量化值为“误差变化\的量化 值为-2,则由表1可知相应的隶属度值。

对于误差e: Uzo(l) =0.5 t/ps(D =0.5

对于误差变化et: UNS( -2) =1 根据此输人状态，由\的模糊控制规则表可 知,只有以下两条规则有效：

第一条：如果误差e是Z0且误差变化ec是 NS,则控制量/cp*PS。

第二条：如果误差e是PS,且误差变化~是 NS，则控制量为三0。

由极大极小推理法可得kp输出模糊集为： [/PS(1, -2) =min(0.5，l) =0.5 f/zo(l, -2) =min(0.5,l) =0.5 最后将每一条模糊控制规则得到的模糊子集 进行“并”运算，再由重心法计算出kp的精确量。

= (1x0. 5+2x0. 5+3x0. 5-1x0. 5+0 x0. 5 + 1 x0. 5)/ (0. 5 +0. 5 +0. 5 +0. 5 + 0. 5 +0.5) =1 同样，对输入论域中的所有组合计算出相应的 kp的精确量，便可构成\的模糊控制表，如表5所 示。同理，可以计算出h和kd的模糊控制表。

3.系统测试

硬件系统测试:焊接硬件电路后，分模块进行 测试，每个模块焊接完成后,采用自制电源给硬件 电路供电。

软件系统测试:采用自下而上调试的方法,先 对每个编程模块进行测试，最后组合每个模块的功 能进行软件部分整体测试。

整体功能测试:精密压力表实时数据通过AD 模块采集进入FPGA,通过按键实现设定压力的输 人，启动步进电机实现打压操作,观察打压的过程 是否平稳快速,压力是否有超调。

4.测试结果

通过对若干组不同量程、不同厂家的压力表的 测试，当采用传统PID控制方法时，为了避免超调， \值一般选择较小，这样打压过程时间不免延长，同 时控制精度也很难有保证。当采用模糊PID控制 时，控制系统兼顾了压力产生的精度及速度，检定 装置在升压或降压时，没有冲击和回程现象，例如 压力产生系统在产生20MPa压力时,系统能够实现 在30s内压力值单向递增或递减地靠近该点，系统 超调量减少，控制精度有较大提高，同时操作时间 大大缩短。

5.结论

本文设计并实现了一种基于FPGA的压力表自 动校验系统,设计结合了通用处理器软件设计的灵 活性和专用芯片上的运算速度的快速性两个优点， 在FPGA上实现了一种较优的PID硬件运算结构。 本设计达到压力表检定及不确定度规范要求，作为 检定仪器,其具有较高的精度等级，同时操作简单， 性能稳定，重复测量能力较强，一定程度的减小了 劳动强度，且劳动效率也大大提高，实验结果表明 该测量系统具有价格低廉、效率高、适应性强、可靠 性好等优点,故有良好的推广和使用价值。