|
1 引 言 EDA是現代電子系統設計的關(guān)鍵技術(shù)。硬件描述語(yǔ)言VHDL以其“代碼復用”(code re-use)遠高于傳統的原理圖輸入法等諸多優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為EDA技術(shù)中主要的輸入工具。然而，基于IEEE VHDL Std 1076-1993標準的VHDL只用于描述數字電路。因而從理論的完整性和方法的統一性方面來(lái)說(shuō)，這無(wú)疑是一個(gè)缺點(diǎn)。為此，IEEE于1999年發(fā)布了IEEE VHDL Std1076.1標準，擴展了VHDL對模擬電路及混合信號系統的描述和仿真能力。1076標準和1076.1標準所定義的硬件描述語(yǔ)言，稱(chēng)為VHDL-AMS。 PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，其算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、適用性強，廣泛應用于過(guò)程控制和運動(dòng)控制中，特別適用于可建立精確數學(xué)模型的確定性系統中。 本文介紹VHDL-AMS的新概念和新特性。通過(guò)對PID控制原理進(jìn)行數學(xué)分析，建立PID控制器的數學(xué)模型，實(shí)現PID控制器的VHDL-AMS行為級建模，并進(jìn)行仿真分析。 2 VHDL-AMS的新特性 集總參數連續時(shí)間系統的行為描述通常是用微分／代數方程組來(lái)進(jìn)行描述，即： F(x，dx／dt，t)=0 其中F是表達式的向量形式，x是未知變量的向量形式，dx／dt是未知變量的向量形式的導數(包括一階導數和高階導數)。在VHDL-AMS語(yǔ)言中新增的第一個(gè)概念是用于定義表示微分／代數方程組中的未知量的關(guān)鍵字量(Quantity)。量是浮點(diǎn)的標量類(lèi)型，在VHDL-AMS中可以在任何可以用信號signal描述的地方出現。 VHDL-AMS中新增加的第二個(gè)概念是端點(diǎn)(terminal)，用于定義守恒系統端口的端點(diǎn)及內部的端點(diǎn)。端點(diǎn)可以在任何可以用信號signal描述的地方使用，而且端點(diǎn)還可以作為實(shí)體的接口允許在PORT語(yǔ)句中使用。 IEEE Std VHDL 1076.1補充了一類(lèi)新語(yǔ)句，即用于描述連續系統行為的聯(lián)立語(yǔ)句。聯(lián)立語(yǔ)句的格式為： [標號：]表達式==表達式 聯(lián)立提供了表示微分／代數方程的方法，可以直接描述系統輸入、輸出間的關(guān)系或守恒系統中的支路方程。通過(guò)求解聯(lián)立語(yǔ)句中的微分／代數方程組，從而解出滿(mǎn)足方程組的量的解。 另外，在VHDL 1076的基礎上，VHDL-AMS新增了16種預定義屬性，可以分為四類(lèi)：數據類(lèi)型類(lèi)、容差類(lèi)、量類(lèi)和信號類(lèi)。這些新增的預定義屬性使得VHDL-AMS具有更為強大的行為描述能力。例如，預定義屬性L(fǎng)TF(num，den)／ZTF(num，den)用于建立模擬／離散量的Laplace／Z域傳遞函數，其中num、den分別為分子、分母多項式的系數。LTF／ZTF屬性對主要以傳遞函數為分析和設計的控制系統建模變得非常方便。 3 VHDL-AMS控制系統分析和設計的應用 在模擬控制系統中，控制器最常用的控制規律是PID控制。模擬PID控制系統原理框圖如圖1所示。系統由模擬PID控制器和被控對象組成。 PID控制器主要由三部分組成：比例環(huán)節，積分環(huán)節和微分環(huán)節。其中比例環(huán)節反映控制系統的偏差信號e(t)，偏差一量產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差；積分環(huán)節主要用于消除靜態(tài)誤差，提高系統的無(wú)差度；微分環(huán)節反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號變得太大之前，在系統中引入一個(gè)有效的早期修正信號，從而加快系統的動(dòng)作速度，減少調節時(shí)間。 PID控制器是一種線(xiàn)性控制器，根據給定值r(t)與實(shí)際輸出值y(t)構成控制偏差： e(t)=r(t)-y(t) (1) PID的控制規律為： 式中kp為比例系數；TI為積分時(shí)間常數；TD為微分時(shí)間常數。 將式(2)寫(xiě)成傳遞函數的形式： 設定忌kP=60，TI=60，TD=0.05，由式(3)可對PID控制器建模如下： SystemVision是Mentor Graphics公司開(kāi)發(fā)的支持VHDL-AMS的Windows集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。在SystemVision環(huán)境下，由文中的VHDL-AMS程序建立PID控制器模型，并以二階線(xiàn)性傳遞函數為被控對象，建立圖2所示的仿真分析系統。 設給定信號r(t)=Asin(2πft)，其中A=1.0，f=0.2 Hz，仿真時(shí)間為50 S。仿真得到PID控制器的正弦響應波形如圖3所示。 設給定信號r(t)為單位階躍信號ε(t)，仿真時(shí)間為0.1 S。仿真得到鎖相環(huán)的波形如圖4所示。 由仿真結果可以看出，PID控制器控制過(guò)程快速、準確、平穩，具有良好的控制效果。還可進(jìn)一步調整PID參數，分析相關(guān)參數對控制性能的影響。 4 結 語(yǔ) VHDL-AMS突破了VHDL只能設計數字系統的限制，在控制、機電等多域系統(Multl_descriplinessystems)分析與設計中應用越來(lái)越廣，特別是在以傳遞函數為系統分析與設計工具的控制系統中應用簡(jiǎn)捷方便。隨著(zhù)VHDL-AMS綜合技術(shù)的突破，VHDL-AMS將會(huì )逐步取代VHDL，在電子工程設計和多域系統設計領(lǐng)域發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。 |
