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前言
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PID算法控制
PID即：Proportional（比例）、Integral（积分）、Differential（微分）的缩写。也就是说，PID算法是结合这三种环节在一起的。
闭环控制：输出会影响到输入，进而逐渐逼近目标。
一、PI环控制算法
积分控制算法，就是为了消除稳态误差，由于积分是从0时刻一直积分到当前时刻 t，并且是对e(t)函数进行积分。
PI比例控制算法：
核心部分，大部分作用来自于P，I和D主要控制减小误差。
目标值：Target
实际值：Pid_out
误差值：e_t
上一时刻误差值：e_t
弥补值：u_t
相关公式：
误差值：e_t=Target - Pid_out
上一时刻误差值：e_t_1=e_t
弥补值：*u(t)=Kp ( e(t) - e(t-1)) + Ki * e(t)
输出值：Pid_out = Pid_out + u(t)
二、仿真分析验证
1.P环仿真
c
module PID_trol(
input sys_clk ,
input rst_n,
//signal
input signed [7:0] target,
output reg signed [7:0] Pid_out
);
reg signed [15:0] e_t;//目标值和现在值的差距
reg signed [32:0] u_t;//补偿值
parameter signed K_p = 32'd300;
parameter signed div = 8'd3;
// assign e_t = target - Pid_out;
always @(posedge sys_clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
e_t <= 16'd0;
end
else begin
e_t <= target - Pid_out;
end
end
always @(posedge sys_clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
u_t <= 32'd0;
end
else begin
u_t <= (e_t * K_p )/1000;
end
end
always @(posedge sys_clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
Pid_out <= 8'd0;
end
else begin
Pid_out <= Pid_out + u_t;
end
end
endmodule2.PI环仿真
c
module PID_control(
input sys_clk ,
input rst_n,
//signal
input signed [7:0] target,
output reg signed [7:0] Pid_out
);
reg signed [15:0] e_t;//目标值和现在值的差距
reg signed [15:0] e_t_1;//上一时刻差距
reg signed [32:0] u_t;//补偿值
parameter signed K_p = 32'd200;
parameter signed div_p = 8'd3;
parameter signed K_i = 32'd310;
parameter signed div_i = 8'd3;
// assign e_t = target - Pid_out;
always @(posedge sys_clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
e_t <= 16'd0;
end
else begin
e_t <= target - Pid_out;
end
end
always @(posedge sys_clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
e_t_1 <= 16'd0;
end
else begin
e_t_1 <= e_t;
end
end
always @(posedge sys_clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
u_t <= 32'd0;
end
else begin
u_t <= ((e_t - e_t_1) * K_p )/1000 + ( e_t * K_i)/1000 ;
end
end
always @(posedge sys_clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
Pid_out <= 8'd0;
end
else begin
Pid_out <= Pid_out + u_t;
end
end
endmodule3.顶层
c
`timescale 1ns / 1ps
//
// Company:
// Engineer:
//
// Create Date: 2025/06/10 13:45:03
// Design Name:
// Module Name: top
// Project Name:
// Target Devices:
// Tool Versions:
// Description:
//
// Dependencies:
//
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
//
//
module top(
input sys_clk ,
input rst_n,
//signal
input signed [7:0] target,
output wire signed [7:0] P_out,
output wire signed [7:0] Pi_out
);
PID_control u_PI (
.sys_clk (sys_clk),
.rst_n (rst_n),
.target (target),
.Pid_out (Pi_out)
);
PID_trol u_P(
.sys_clk (sys_clk),
.rst_n (rst_n),
.target (target),
.Pid_out (P_out)
);
endmodule4.测试文件
c
`timescale 1ns / 1ps
//
// Company:
// Engineer:
//
// Create Date: 2025/06/10 13:48:03
// Design Name:
// Module Name: tb_top
// Project Name:
// Target Devices:
// Tool Versions:
// Description:
//
// Dependencies:
//
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
//
//
`timescale 1ns / 1ps
module tb_top();
// 输入信号
reg sys_clk;
reg rst_n;
reg signed [7:0] target;
// 输出信号
wire signed [7:0] P_out;
wire signed [7:0] Pi_out;
// 实例化顶层模块
top u_top (
.sys_clk (sys_clk),
.rst_n (rst_n),
.target (target),
.P_out (P_out),
.Pi_out (Pi_out)
);
// 时钟生成（100MHz）
initial begin
sys_clk = 0;
forever #10 sys_clk = ~sys_clk; // 10ns周期 = 100MHz
end
// 测试激励
initial begin
// 初始化并复位
rst_n = 0;
target = 0;
#20; // 等待两个时钟周期
// 释放复位
rst_n = 1;
#10;
// 测试场景 1：正目标值
target = 8'd100; // +50
end
endmodule5.仿真波形
总结
加上I之后，整体上升缓和了一点，同时调整速度缩短了一点。