基于模型的設(shè)計(jì)(MBD)因其在縮小實(shí)時(shí)系統(tǒng)抽象的數(shù)學(xué)建模和物理實(shí)現(xiàn)之間差距方面的光明前景而備受關(guān)注。通過(guò)使用相同的源代碼進(jìn)行算法分析、架構(gòu)探討、行為模擬和硬/軟件設(shè)計(jì)，MBD有望縮短系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期。

　　無(wú)需通曉硬件描述語(yǔ)言(HDL)，為DSP提供的Xilinx System Generator即可讓控制工程師在熟悉的Simulink環(huán)境中設(shè)計(jì)系統(tǒng)，然后在FPGA中實(shí)施。為此，必須將受控系統(tǒng)(通常稱之為設(shè)備)的數(shù)學(xué)模型參數(shù)值(如連續(xù)/離散時(shí)間傳遞函數(shù)或狀態(tài)空間描述)與FPGA系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和數(shù)字控制器的采樣率關(guān)聯(lián)起來(lái)。

　　FPGA中的數(shù)字控制器

　　之前，在實(shí)施FPGA時(shí)，控制器設(shè)計(jì)人員在首次驗(yàn)證控制策略和參數(shù)并進(jìn)行控制器和設(shè)備模型的高級(jí)模擬(如使用Simulink)后，可能還會(huì)使用一種低級(jí)的HDL。HDL控制器設(shè)計(jì)與Simulink模擬之間的對(duì)應(yīng)性將由HDL測(cè)試平臺(tái)加以驗(yàn)證。為在閉環(huán)系統(tǒng)中驗(yàn)證控制器設(shè)計(jì)，該測(cè)試平臺(tái)必須包括設(shè)備模型。對(duì)于缺乏HDL和FPGA技術(shù)專業(yè)背景的設(shè)計(jì)人員及大多數(shù)控制工程師而言，要實(shí)現(xiàn)上述這一切卻并非易事。在這種情況下，如Xilinx System Generator之類的高級(jí)建模和設(shè)計(jì)環(huán)境正是理想之選。

　　System Generator中的PID控制器

　　鑒于許多控制器仍基于傳統(tǒng)的比例-積分-微分(PID)結(jié)構(gòu)，借用一個(gè)PID控制器來(lái)演示本文的觀點(diǎn)。同時(shí)，本文概述的方法也可較好地處理超前滯后補(bǔ)償器、狀態(tài)空間觀測(cè)器或者自適應(yīng)控制器等其他常用的控制組件。圖1所示為采用源自賽靈思模塊集的模塊而設(shè)計(jì)的PID控制器。

圖1 基于System Generator模塊且支持抗飽和功能的PID控制器

　　這里沒(méi)有使用賽靈思的累加器模塊，而是采用基本的加法器和寄存器構(gòu)建塊來(lái)實(shí)現(xiàn)集成。這樣做可以插入如圖1所示的抗飽和邏輯，以便在控制器輸出的積分部分達(dá)到執(zhí)行器規(guī)定的飽和限值時(shí)，凍結(jié)累加器寄存器中的內(nèi)容。抗飽和邏輯可使PID控制器成為非線性系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的總體動(dòng)態(tài)產(chǎn)生積極的影響。

　　圖2所示的模塊參數(shù)菜單可用來(lái)配置各種信號(hào)的控制參數(shù)和字寬。

圖2 PID控制器的定制參數(shù)菜單

　　另外，設(shè)計(jì)人員還能在此啟用或停用抗飽和函數(shù)。利用該菜單，無(wú)需修改低級(jí)HDL代碼即可方便地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

　　圖3所示為整體系統(tǒng)模型，其不僅包含控制器，還有基于標(biāo)準(zhǔn)Simulink模塊的設(shè)備和模擬測(cè)試平臺(tái)。借助該模型，設(shè)計(jì)人員可采用連續(xù)或離散時(shí)間傳遞函數(shù)進(jìn)行設(shè)備建模，而在HDL測(cè)試平臺(tái)中則只能使用離散時(shí)間函數(shù)。值得一提的是，采用System Generator方法，就可以通過(guò)同一個(gè)高級(jí)模型完成從系統(tǒng)建模、模擬、驗(yàn)證直至實(shí)施的任何工作。