VHDL-AMS在控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1 引 言

EDA是現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。硬件描述語言VHDL以其“代碼復(fù)用”(code re-use)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)的VHDL只用于描述數(shù)字電路。因而從理論的完整性和方法的統(tǒng)一性方面來說，這無疑是一個(gè)缺點(diǎn)。為此，IEEE于1999年發(fā)布了IEEE VHDL Std1076.1標(biāo)準(zhǔn)，擴(kuò)展了VHDL對模擬電路及混合信號(hào)系統(tǒng)的描述和仿真能力。1076標(biāo)準(zhǔn)和1076.1標(biāo)準(zhǔn)所定義的硬件描述語言，稱為VHDL-AMS。

PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，其算法簡單、魯棒性好、適用性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于過程控制和運(yùn)動(dòng)控制中，特別適用于可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性系統(tǒng)中。

本文介紹VHDL-AMS的新概念和新特性。通過對PID控制原理進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，建立PID控制器的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)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(shù)連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的行為描述通常是用微分／代數(shù)方程組來進(jìn)行描述，即：

F(x，dx／dt，t)=0

其中F是表達(dá)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(dǎo)數(shù)(包括一階導(dǎo)數(shù)和高階導(dǎo)數(shù))。在VHDL-AMS語言中新增的第一個(gè)概念是用于定義表示微分／代數(shù)方程組中的未知量的關(guān)鍵字量(QuanTIty)。量是浮點(diǎn)的標(biāo)量類型，在VHDL-AMS中可以在任何可以用信號(hào)signal描述的地方出現(xiàn)。

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(tǒng)端口的端點(diǎn)及內(nèi)部的端點(diǎn)。端點(diǎn)可以在任何可以用信號(hào)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語句中使用。

IEEE Std VHDL 1076.1補(bǔ)充了一類新語句，即用于描述連續(xù)系統(tǒng)行為的聯(lián)立語句。聯(lián)立語句的格式為：

[標(biāo)號(hào)：]表達(dá)式==表達(dá)式

聯(lián)立提供了表示微分／代數(shù)方程的方法，可以直接描述系統(tǒng)輸入、輸出間的關(guān)系或守恒系統(tǒng)中的支路方程。通過求解聯(lián)立語句中的微分／代數(shù)方程組，從而解出滿足方程組的量的解。

另外，在VHDL 1076的基礎(chǔ)上，VHDL-AMS新增了16種預(yù)定義屬性，可以分為四類：數(shù)據(jù)類型類、容差類、量類和信號(hào)類。這些新增的預(yù)定義屬性使得VHDL-AMS具有更為強(qiáng)大的行為描述能力。例如，預(yù)定義屬性LTF(num，den)／ZTF(num，den)用于建立模擬／離散量的Laplace／Z域傳遞函數(shù)，其中num、den分別為分子、分母多項(xiàng)式的系數(shù)。LTF／ZTF屬性對主要以傳遞函數(shù)為分析和設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)建模變得非常方便。

3 VHDL-AMS控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的應(yīng)用

在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控對象組成。