PID Controller VHDL: 10 Kauj Ruam

2024 Tus sau: John Day | [email protected]. Kawg hloov kho: 2024-01-30 09:26

Txoj haujlwm no yog kuv txoj haujlwm kawg kom ua tiav kuv daim Honors Bachelor Degree los ntawm Cork Institute of Technology. Cov ntawv qhia no tau tawg ua ob ntu thawj zaug yuav npog lub cev tseem ceeb ntawm PID code uas yog lub hom phiaj tseem ceeb ntawm txoj haujlwm thiab ntu thib ob suav nrog cuam tshuam cov lej uas tau ua tiav ntawm Basys 3 pawg thawj coj loj thiab tom qab ntawd cuam tshuam rau pob ping pong levitation rig. Theoretical thiab tsim rig tau qhia hauv cov duab txuas nrog.

Khoom siv

Simulation

Vivado Tsim Suite

Kev ua tiav (hauv cov kab zauv yog qhov uas tau siv rau kuv qhov haujlwm)

• FPGA Board uas tuaj yeem tawm tswv yim thiab tso tawm Digital/Analog Pib ntsais koj teeb (Basys 3)
• ib qhov system uas tuaj yeem tswj tau nrog cov lus tawm tswv yim ib leeg (Ping Pong Ball Levitation Rig)

Rig

• Polycarbonate Tube
• 5V Ntxuam
• IR Sensor
• 3D Luam Luam Base (Cov ntawv qhia no qhia txog kev tsim kho lub rig lub sensor tau ntxiv los muab cov lus tawm tswv yim tab sis cov rig feem ntau zoo ib yam)
• 1 k Resistors
• Breadboard nrog 5V thiab GND Rail

Kauj Ruam 1: Txoj Kev Tswj Yooj Yim

Kuv xav tias ntxiv hauv qee qhov kev tshawb xav yooj yim yuav muab rau txhua tus uas xav sim thiab siv cov cai no lub hauv paus zoo kom pib los ntawm.

Daim duab txuas nrog yog txheej txheej ntawm ib lub voj tswj.

r- Yog qhov siv. Qhov no txiav txim siab qhov twg tus tswj hwm xav mus.

e-Yog qhov yuam kev. Qhov no yog qhov sib txawv ntawm tus nqi ntawm koj lub sensor thiab koj siv. xws li e = r- (d+cov zis ntawm lub sensor).

K-Qhov no yog tus tswj hwm. Tus tswj hwm tuaj yeem suav nrog peb nqe lus. Cov ntsiab lus no yog P, I thiab D. Tag nrho peb nqe lus muaj cov lej sib npaug hu ua Kp, Ki thiab Kd. Cov txiaj ntsig no txiav txim siab cov lus teb ntawm tus tswj.

• P-Kev faib ua feem. Tus tswj P nruj me ntsis yuav muaj qhov tso tawm ib feem rau qhov ua yuam kev tam sim no. Tus tswj hwm P yog qhov yooj yim los siv thiab ua haujlwm nrawm tab sis yuav tsis ncav cuag tus nqi koj teev (siv).
• Kuv-Integral. Ib tus tswj hwm nruj me ntsis yuav suav qhov ua yuam kev yav dhau los uas thaum kawg yuav mus txog qhov xav tau siv. Tus tswj hwm no feem ntau qeeb dhau los siv. Ntxiv rau P lub sijhawm yuav txo lub sijhawm coj los mus txog qhov siv. Lub sijhawm uas cov tswv yim raug coj mus kuaj yuav tsum raug coj mus rau hauv tus lej lub sijhawm sib xyaw ua ke nrog kev hwm lub sijhawm.
• D-Derivative. Lub sij hawm Derivative yuav muaj qhov tso tawm uas yog nyob ntawm qhov hloov pauv ntawm qhov ua yuam kev. Lo lus no feem ntau siv nrog P lub sijhawm lossis nrog lub sijhawm PI. Txij li qhov no yog ib feem ntawm qhov kev hloov pauv ntawm qhov ua yuam kev ces lub suab nrov ib leeg yuav muaj nws lub suab nrov nrov uas tuaj yeem ua rau lub kaw lus tsis ruaj khov. Lub sijhawm tseem yuav tsum raug coj mus rau hauv tus lej vim tias lub sijhawm los kuj tseem suav nrog lub sijhawm.

U- Nov yog lub teeb liab tswj. Lub teeb liab no yog cov tswv yim rau lub rig. Hauv qhov xwm txheej ntawm qhov haujlwm no u yog PWM teeb liab nkag mus rau tus kiv cua kom hloov pauv nrawm.

G- Nov yog lub kaw lus uas raug tswj hwm. Cov kab ke no tuaj yeem ua qauv ua lej hauv S lossis Z Domain. Cov kab ke tuaj yeem ua rau nth xaj tab sis rau ib tus neeg tau pib nrog kev tswj hwm thawj qhov kev txiav txim yuav tsum tau suav tias yog qhov no yooj yim dua rau suav. Qhov yog Plethora cov ntaub ntawv ntawm kev ua qauv kom pom hauv online. Nyob ntawm qhov piv txwv lub sijhawm ntawm lub ntsuas tus qauv ntawm lub kaw lus yog qhov sib cais lossis txuas ntxiv mus. Qhov no muaj qhov cuam tshuam loj heev rau tus tswj hwm yog li tshawb fawb rau ob qho tib si tau qhia.

d- Qhov no yog kev cuam tshuam uas tau ntxiv rau hauv kab ke. Kev cuam tshuam yog sab nraum cov rog uas tus qauv ntawm cov kab ke tsis suav nrog. Ib qho piv txwv yooj yim ntawm qhov no yuav yog lub drone uas koj xav tau kom ya ntawm 5 metres cua daj cua dub los thiab poob lub drone 1 meter tus tswj hwm yuav hloov chaw drone tom qab muaj kev cuam tshuam. Qhov no yog hu ua kev ntxhov siab vim cua tsis rov ua dua yog li qhov no tsis tuaj yeem ua qauv.

Txhawm rau ntsuas tus tswj muaj ntau txoj cai rau npe tab sis qee qhov zoo uas kuv tau pib nrog yog Cohen Coon thiab Zieger Nichols.

Ua qauv kab ke feem ntau yog qhov tseem ceeb tshaj plaws yam tsis muaj tus qauv raug tus tswj uas tau tsim los yuav tsis teb raws li qhov xav tau.

Yuav tsum muaj cov ntaub ntawv txaus nyob ntawm no kom nkag siab tias tus tswj hwm ua haujlwm li cas nrog qee qhov kev tshawb fawb ntawm tus kheej thiab cov cai hauv qab tus tswj hwm nrog ib qho ua ke ntawm peb nqe lus tuaj yeem siv tau.

Kauj Ruam 2: Sau PID Code

Lub hauv paus ntsiab lus ntawm txoj cai pom ntawm qhov txuas hauv qab no tau coj thiab hloov kho raws li txoj cai no tsis ua haujlwm tab sis tsis muaj ntau txoj hauv kev cai uas tau muab qhov pib zoo. Thawj PID Cov cai muaj ntau qhov yuam kev xws li

• Kev Ua Haujlwm Txuas Ntxiv - tus tswj hwm yog qhov tsis sib xws yog li tus tswj yuav tsum tau teeb tsa tsuas yog suav tag nrho 3 nqe lus thaum muaj cov lus qhia tshiab. Kev ua haujlwm nyob ib puag ncig rau qhov kev sim no yog tshuaj xyuas yog tias cov tswv yim tau hloov txij li lub sijhawm dhau los. qhov no tsuas yog ua haujlwm los sim qhov chaws ua haujlwm raug.
• Lub Sijhawm Piv Txwv tsis muaj kev cuam tshuam rau qhov tseem ceeb thiab cov txiaj ntsig lub sijhawm - Tus tswj hwm tseem tsis tau txiav txim siab lub sijhawm uas cov qauv raug coj los, yog li tus nqi hu ua divider rau lub sijhawm tau ntxiv rau hauv kom ntseeg tau tias cov ntsiab lus tseem ceeb thiab cov txiaj ntsig tau ua haujlwm raug ncua.
• Kev ua yuam kev tuaj yeem tsuas yog tom qab - thaum suav qhov yuam kev kuj tseem muaj teeb meem vim qhov ua yuam kev tsis tuaj yeem tsis muaj lub ntsiab lus tsis zoo thaum lub teeb liab tawm tswv yim tau dhau qhov kev siv tus nqi uas tus tswj hwm yuav txuas ntxiv cov khoom tawm thaum nws yuav tsum tau txo qis.
• Tau txais qhov tseem ceeb rau 3 nqe lus yog tus lej - hauv kuv qhov kev paub Kuv ib txwm pom tias qhov tseem ceeb rau 3 nqe lus hauv tus tswj kom ib txwm muaj tus lej lej ntab vim Basys 3 tsis muaj tus lej lej lej tus lej qhov tseem ceeb yuav tsum tau muab tus lej lej thiab denominator tus nqi uas yuav ua haujlwm ib puag ncig hla qhov teeb meem no.

Cov cai tau txuas hauv qab no muaj lub cev tseem ceeb ntawm txoj cai thiab tus lej sim los simulate cov cai. Lub nplaub tshev zip muaj cov cai thiab cov ntawv xeem twb tau nyob hauv Vivado yog li tuaj yeem qhib tau kom txuag sijhawm. kuj tseem muaj kev sim sim ntawm cov cai uas qhia pom cov txiaj ntsig taug qab qhov siv no ua pov thawj tias cov cai ua haujlwm raws li lub hom phiaj xav tau.

Kauj Ruam 3: Yuav Hloov Kho Li Cas Rau Koj Li Cas

Ua ntej tsis yog txhua lub tshuab yog tib yam yuav tsum txheeb xyuas cov tswv yim thiab cov txiaj ntsig ntawm lub kaw lus. Hauv kuv qhov kev tso tawm ntawm kuv lub rig uas muab rau kuv tus nqi rau txoj haujlwm yog lub teeb liab analog thiab cov tswv yim los ntawm cov kab ke yog PWM teeb liab. Lub ntsiab lus tias xav tau kev hloov pauv ADC. Hmoov zoo Basys 3 tau tsim nyob hauv ADC yog li qhov no tsis muaj teeb meem qhov tsim tawm ntawm IR lub cuab yeej yuav tsum tau txo qis mus rau 0V-1V vim qhov no yog qhov ntau ntawm ADC onboard. Qhov no tau ua tiav siv qhov hluav taws xob faib hluav taws xob uas tau ua los ntawm 1k resistors teeb tsa ua 3k resistor hauv koob nrog 1k resistor. Tam sim no cov teeb liab analog tau nyob hauv thaj tsam ntawm ADC. PWM cov tswv yim rau tus kiv cua tuaj yeem ncaj qha los ntawm kev tso tawm ntawm PMOD chaw nres nkoj ntawm Basys 3.

Kauj Ruam 4: Siv Qhov Zoo ntawm I/O ntawm Basys 3

Muaj tus lej I/O ntawm Basys 3 uas tso cai rau kev debug yooj yim dua thaum cov cai tau ua haujlwm. I/O tau teeb tsa raws li hauv qab no.

• Xya Segment Display - Qhov no tau siv los qhia qhov txiaj ntsig ntawm kev siv thiab tus nqi ntawm ADC hauv volts. Thawj ob tus lej ntawm xya ntu qhia pom ob tus lej tom qab qhov zauv zauv ntawm ADC tus nqi raws li tus nqi nyob nruab nrab ntawm 0-1V. Tus lej peb thiab plaub ntawm xya ntu qhia pom tus nqi siv hauv qhov hluav taws xob qhov no kuj qhia thawj ob tus lej tom qab qhov zauv zauv raws li qhov ntau tseem nyob ntawm 0-1V.
• 16 LEDs - Cov LEDs tau siv los qhia tus nqi ntawm cov zis kom ntseeg tau tias cov zis tau saturating thiab cov zis tau hloov pauv raug.

Kauj Ruam 5: Lub suab nrov ntawm IR Sensor Tso Tawm

Muaj suab nrov ntawm lub sensor tso tawm los kho qhov teeb meem no qhov nruab nrab thaiv tau muab tso rau hauv qhov no yog qhov txaus thiab xav tau kev ua haujlwm me me kom ua tiav.

Kauj Ruam 6: Txheej Txheem Txheej Txheem

Muaj ib daim ntawm cov cai uas tseem tsis tau tham txog. Cov cai no yog lub moos faib hu ua trigger. qhov me ntsis ntawm cov lej ua rau ADC code ua piv txwv. ADC cov cai siv sijhawm ntau kawg ntawm 2us kom ua tiav yog li tam sim no cov tswv yim tam sim no thiab cov tswv yim yav dhau los yog qhov nruab nrab. 1us tom qab qhov ntsuas nruab nrab no suav nrog P, I thiab D cov lus. hla tag nrho cov txheej txheem ntawm cov cai thiab cuam tshuam tau qhia hauv daim duab sib txuas ua ntu zus.

Kauj Ruam 7: Xeem

Txoj cai tau siv rau ntawm Basys 3 thiab cov lus teb hauv qab no tau sau tseg. qhov kev hloov pauv ntawm 2 qhov muaj nqis. uas yog rooj plaub hauv txoj haujlwm ua tiav txoj cai txuas nrog. Cov vis dis aus txuas nrog no qhia cov lus teb no raws sijhawm. Cov oscillations lwj sai dua nyob rau sab saud ntawm lub raj raws li tus tswj tau tsim rau thaj tsam no tab sis tus tswj tsis ua haujlwm zoo li txuas ntxiv mus rau hauv lub raj vim tias cov kab ke tsis yog kab.

Kauj Ruam 8: Kev hloov kho txhawm rau txhim kho Txoj Haujlwm

Txoj haujlwm tau ua haujlwm raws li lub hom phiaj tab sis muaj qee qhov kev hloov kho uas kuv yuav tau ua yog tias txoj haujlwm tuaj yeem txuas ntxiv.

• Siv cov lim dej kom ua kom nrov nrov
• teeb tsa ADC tus lej, Cov lej nruab nrab thiab cov lej sib xyaw ua ke kom ua tiav ib ntus.
• siv lub ntsuas sib txawv rau kev tawm tswv yim raws li cov lus teb tsis yog ntawm lub ntsuas no ua rau muaj ntau yam teeb meem nrog txoj haujlwm no tab sis qhov ntawd ntau dua ntawm kev tswj hwm sab tsis yog sab coding.

Kauj Ruam 9: Ua Haujlwm Ntxiv

Nyob rau lub caij ntuj sov kuv tau sau cov cai rau tus tswj qhov cascade thiab siv qhov kev hloov kho kuv pom zoo rau ib lub voj PID maub los.

Kev hloov kho ua rau tus tswj PID li niaj zaus

· FIR lim qauv siv cov coefficients yuav tsum tau hloov pauv kom ua tiav qhov xav tau txiav tawm. Kev siv tam sim no yog 5-kais fir lim.

· Lub sijhawm ntawm cov cai tau teeb tsa kom lub lim yuav nthuav tawm cov qauv tshiab los ntawm thiab thaum cov ntawv tso tawm tau npaj tiav lub sijhawm tseem ceeb yuav ua rau uas txhais tau tias cov cai tuaj yeem hloov kho mus ua haujlwm nyob rau lub sijhawm sib txawv nrog kev siv zog tsawg dua los hloov chaws.

· Lub ntsiab rau lub voj uas ua rau txoj haujlwm tseem tau raug txo qis vim qhov no rau lub voj voos tau siv 7 txoj hauv kev yav dhau los qhov no ua rau qeeb ua haujlwm siab tshaj plaws ntawm Tus Tswj tab sis los ntawm kev txo qis rau lub voj t 4 hais qhov no txhais tau tias lub ntsiab thaiv ntawm cov cai tuaj yeem ua haujlwm tsis pub dhau 4 teev mus.

Kev Xeem

Tus tswj hwm no tau sim thiab ua tiav raws li lub hom phiaj Kuv tsis tau thaij cov pov thawj no vim tias ib feem ntawm txoj haujlwm no tsuas yog ua kom lub siab ua haujlwm. Cov cai rau kev ntsuas ib yam li cov ntawv xeem yuav muaj nyob ntawm no yog li koj tuaj yeem sim qhov program ua ntej kev ua tiav.

Vim li cas siv tus cascade maub los

Tus cascade maub los tswj ob feem ntawm qhov system. Hauv qhov no tus cascade maub los yuav muaj lub voj sab uas yog tus tswj uas tau tawm tswv yim los ntawm IR sensor. Lub voj sab hauv muaj cov lus tawm tswv yim nyob rau hauv daim ntawv ntawm lub sijhawm ntawm cov mem tes los ntawm tachometer uas txiav txim siab qhov nrawm ntawm kiv cua. Los ntawm kev tswj hwm kev tswj hwm, cov lus teb tau zoo tuaj yeem ua tiav ntawm qhov system.

Cascade maub los ua haujlwm li cas?

Tus tswj lub voj sab nrauv yuav pub tus nqi rau lub sijhawm nruab nrab ntawm cov pules mus rau sab hauv lub voj tswj. Tus tswj hwm no yuav nce lossis txo qis lub luag haujlwm kom ua tiav lub sijhawm xav tau ntawm cov noob.

Txhim kho kev hloov kho ntawm rig

Hmoov tsis zoo, Kuv tsis tuaj yeem siv cov kev hloov kho no ntawm lub rig vim kuv tsis muaj kev nkag tau rau nws. Kuv sim qhov hloov kho ib lub voj tswj uas ua haujlwm raws li xav tau. Kuv tseem tsis tau sim tus tswj cascade tseem. Kuv ntseeg tias tus tswj hwm yuav ua haujlwm tab sis yuav xav tau qee qhov kev hloov kho me ntsis kom ua haujlwm raws li xav tau.

Kev Xeem

Kuv tsis tuaj yeem ntsuas tus tswj hwm vim nws nyuaj rau sim ua ob qhov chaw nkag. Qhov teeb meem nkaus xwb kuv tuaj yeem pom nrog tus tswj qhov cascade yog tias raws li lub voj sab nraud sim ua kom cov teeb tsa nkag mus rau sab hauv-lub voj uas qhov teeb tsa loj dua yog qhov tseeb RPS qis rau tus kiv cua tab sis qhov no tuaj yeem kho tau yooj yim. coj lub teeb taw tes los ntawm tus nqi siab tshaj ntawm teeb liab teeb tsa (4095 - setpoint - tacho_result).

Kauj ruam 10: Xaus

Zuag qhia tag nrho txoj haujlwm ua haujlwm raws li kuv xav thaum qhov haujlwm pib yog li kuv zoo siab nrog qhov tshwm sim. Ua tsaug rau koj siv sijhawm los nyeem kuv qhov kev sim tsim PID tus tswj hwm hauv VHDL. Yog tias leej twg tab tom sim ua qee qhov kev hloov pauv ntawm qhov system thiab xav tau qee qhov kev lees paub kom nkag siab cov cai tiv toj rau kuv Kuv yuav teb ASAP. Txhua tus neeg uas sim ua haujlwm ntxiv uas tau yws tab sis tsis tau ua tiav thov hu rau kuv rau txhua tes. Kuv yuav zoo siab heev yog tias leej twg ua raws nws qhia rau kuv paub tias nws mus li cas.