基于SOPC的小生境免疫PID温度控制器的设计

鲍克+沈笑慧+方源+赖海超

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

摘 要： 介绍了一种基于可编程片上系统（System-on-a-Programmable-Chip， SOPC）的智能温度控制器的实现。利用SOPC技术和FPGA内部的NIOS II软核处理器，实现对PID参数的智能整定、温度的实时检测和控制。与传统的解决方案相比，基于SOPC的小生境免疫PID温度控制器具有超调量小、调整时间短等优点，仿真实验验证了该方案的有效性。

关键词： 小生境； 免疫算法； PID整定； SOPC

中图分类号：TP18 文献标志码：A 文章编号：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

在工业生产中，温度是应用最为广泛且最为重要的过程参数之一。由于温度具有大惯性、大滞后的特性，在进行PID控制时很难通过人工方式获取较优的PID参数[1]。通过遗传算法、一般免疫算法等智能优化算法对PID参数进行优化时，也面临着算法过早收敛、寻优能力不足等缺陷[2-3]。小生境免疫算法是将小生境机制引入到免疫算法基于抗体浓度的调节机制和多样性保持策略中的智能参数优化算法。将该算法应用于PID参数整定，可获取性能良好的PID参数。

在传统解决方案中，大多采用以单片机为核心的温度控制器[4-5]，但它们都很难解决小生境免疫算法实时整定PID参数所带来的性能开销问题[6]，而且单片机一旦确定芯片型号，其内部资源配置也随之确定，无法进行后续的系统升级。本文提出一种基于SOPC的小生境免疫PID温度控制器的设计思路和实现方法，在常规温度传感电路的基础上，以小生境免疫算法实时计算当前环境下最优的PID参数进行PID控制，并通过PWM方式实现温度调节。

1 系统硬件设计

本系统以FPGA为硬件核心。首先，由温度传感器采集温度参数，经A/D转换后送入FPGA中的NIOS II处理器，NIOS II处理器一方面将实际温度参数通过UART串口模块送至上位机，一方面根据温度偏差值运算小生境免疫算法得出最优PID参数，并控制PWM模块输出控制信号。系统构架如图1所示。

其中，On-Chip Memory作为程序的运行空间，Flash作为FPGA配置文件以及软核文件的存储空间。FPGA上电后将Flash存储的程序加载到On-Chip Memory中运行，CFI控制器核由SOPC Builder自带的IP核提供。采用SOPC Builder中提供的UART IP核作为与上位机通信的接口；采用第三方设计的PWM IP核用于对加热元件的脉冲调制。

本设计选用瑞士Sensirion公司的数字传感器芯片SHT11采集温度信号，SHT11将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转化和存储功能集成到一个芯片上，在芯片内自动进行A/D转换，无需附加外部电路即可连接FPGA。SHT11采用两线数字串行接口SCK和DATA，具体电路如图2所示。

4 结论

本文将SOPC技术和小生境免疫算法运用于传统的PID控制，提出了基于SOPC的小生境免疫算法温度控制器的设计方法，解决了温度控制中PID参数最优问题。通过小生境免疫算法的PID参数优化实验，验证了该算法下获得的PID控制器性能较优。

参考文献（References）：

[1] 文定都，曾红兵，何玲.基于遗传算法PID参数寻优的电加热

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[2] 王鲜芳，杜志勇，潘丰.基于混沌免疫遗传算法整定PID参数[J].

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[3] 李猛，王琦，代冀阳.基于小生境混合遗传算法的PID参数整

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[4] 王皖慧.基于改进免疫算法的电阻炉温控系统的研究[D].浙

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[5] 方瑾孜，王蔚生.基于单片机的激光器精确温度控制系统设

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[6] 刘洪杰，王秀峰，王治宝.改进的多模态遗传算法及其在投资

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