作為一名工程師，在項目實施階段多多少少會遇到需要使用控制理論的應用程序。

一種非常常用的算法是比例積分微分控制器（proportional-integral-derivative control）或 PID 控制器。PID 算法用于控制各種應用中溫度、壓力、電機位置和流量等變量。我經常看到的一個地方是高端圖像處理系統（制冷型紅外），為了減少圖像中的噪點。它使用熱電冷卻器或其他冷卻系統來冷卻圖像傳感器。對于高端成像，較低的噪聲可以帶來更好的圖像。

介紹

PID 控制算法實現起來并不難，因為它只需要加法、乘法、除法和減法(dog)。但是，一旦算法實施，確保 PID 回路穩定的三個系數可能需要一點額外的時間來獲取。

PID 主要使用三個術語。

比例(Proportional) -測量期望值和測量值之間的差異。比例值是當前位置的量度。
積分(Integral) -會隨著時間的推移對誤差進行積分。積分項是誤差的歷史累積值。隨著誤差的消除，積分項停止增長。
導數(Derivative) -計算變化率并預測誤差的未來趨勢。

每個術語還具有相關的增益 KI、KP 或 KD，可以幫助我們調整 PID 控制器算法的行為。D 項不是必須的，而且簡單的情況下我們基本不使用，使用 PI 控制器也很常見。

PID經常使用浮點數來實現。因此，我們可以使用諸如 VHDL Fixed/Float 之類的庫在 RTL 中實現。或者，我們可以使用HLS來實現 PID，因為國內應用VHDL較少，所以我們今天的實例是使用HLS構建我們的PID算法。使用HLS能夠使用浮點或任意精度的定點數。HLS還能通過#pragma 快速的為IP添加通用控制接口（AXI）。

在純 FPGA 實現類似系統時候，我們需要添加軟核來控制IP。在較小的 Zynq-7000 SoC FPGA（7007、7010、7020 等）中則可以通過硬核控制IP。或者，如果我們設計中不想使用處理器，那我們可以設計傳統的矢量接口即可。

源碼設計

PID 的實際源代碼非常簡單，如下所示。

#include "pid.h"

static data_type error_prev =0;
static data_type i_prev=0;

data_type PID (data_type set_point, data_type KP, data_type KI, data_type KD, data_type sample, data_type ts, data_type pmax)
{
#pragma HLS INTERFACE mode=s_axilite port=return
#pragma HLS INTERFACE mode=s_axilite port=sample
#pragma HLS INTERFACE mode=s_axilite port=KD
#pragma HLS INTERFACE mode=s_axilite port=KI
#pragma HLS INTERFACE mode=s_axilite port=KP
#pragma HLS INTERFACE mode=s_axilite port=set_point
#pragma HLS INTERFACE mode=s_axilite port=ts
#pragma HLS INTERFACE mode=s_axilite port=pmax
 data_type error, i, d, p;
 data_type temp;
 data_type op;

 error = set_point - sample;

 p = error * KP;
 i = i_prev + (error  * ts * KI);
 d = KD * ((error - error_prev) / ts);

 op = p+i+d;
 error_prev = error;
 if (op > pmax)  {
  i_prev = i_prev;
  op = pmax;
 }else{
  i_prev = i;
 }
 return op;
}

已將previous error和previous integral聲明為全局靜態變量，以確保它們在迭代時候其值保持不變。

在算法方面，用戶可以在應用程序運行時動態加載 KP、KI、KID、Ts 和 Pmax。我們可以輕松地添加積分值或使用附加寄存器重新啟動控制器。這將使 PID 可以用于多個實現。

為了測試和配置 PID，測試文件羅列了一系列溫度值，這些溫度都遠高于預期的目標設定點，并確保達到設定點。此示例中的 PID 設計用于提供功率（以瓦特為單位）維持光學床的溫度。在這種情況下，我們需要加熱而不是降低溫度。

#include "pid.h"
#include 
#define iterations 40
int main(void)
{

data_type set_point = -80.0;
data_type sample[iterations] = {-90.000,-88.988,-87.977,-86.966,-85.955,-84.946,-83.936,-82.928,-81.920,-80.912,-80.283,-79.926,-79.784,-79.774,-79.829,-79.898,-79.955,-79.993,-80.011,-80.017,-80.016,-80.010,-80.005,-80.002,-80.000,-79.999,-79.999,-79.999,-79.999,-80.000,-80.000,-80.000,-80.000,-80.000,-80.000,-80.000,-79.999,-80.000,-80.001,-80.000};

data_type kp = 19.6827; // w/k
data_type ki = 0.7420; // w/k/s
data_type kd = 0.0;
data_type op;

printf("testing cpp\\r\\n");

for (int i =0; i

在 Vitis HLS 中針對該 PID 算法進行C 仿真和協同仿真，結果完全符合預期。

算法按照預期運行，下一步是綜合和導出 IP，最后就是添加到我們的 Vivado 項目中。這次我們使用的是ZYNQ FPGA。

延遲性能和資源消耗下面的完整框圖反映了添加到Vivado項目中情況。

框圖

總設計資源

PID 資源構建完成上面的Vivado項目，接下來就是導出硬件（XSA）到 Vitis 中開發驅動。

在 Vitis 中開發驅動時候，我重用了 HLS 仿真文件中的幾個元素。

由于我們使用的是 AXI 接口，Vitis HLS 在導出IP時候地為我們提供了一個可以在 Vitis 中用于驅動 IP 核的驅動程序。但是，當在 IP 內核中使用浮點輸入時，驅動程序則期望它們為 U32。如果我們在開發驅動時候從浮點數轉換為 U32，我們將失去準確性。因此，解決這個問題的方法是使用指針（pointers）和強制轉換。

本質上，我們將變量聲明為浮點數，然后在函數中調用設置一個指向浮點變量地址的 U32 指針，并使用間接運算符讀取該值。

XPid_Set_set_point ( & pid ,  * ( ( u32 * ) & set_point ) ) ;

整個應用程序是

#include 
#include "platform.h"
#include "xil_printf.h"
#include "xpid.h"
#define iterations 40

typedef float data_type;
data_type set_point = -80.0;
data_type sample[iterations] = {-90.000,-88.988,-87.977,-86.966,-85.955,-84.946,-83.936,-82.928,-81.920,-80.912,-80.283,-79.926,-79.784,-79.774,-79.829,-79.898,-79.955,-79.993,-80.011,-80.017,-80.016,-80.010,-80.005,-80.002,-80.000,-79.999,-79.999,-79.999,-79.999,-80.000,-80.000,-80.000,-80.000,-80.000,-80.000,-80.000,-79.999,-80.000,-80.001,-80.000};

data_type kp = 19.6827; // w/k
data_type ki = 0.7420; // w/k/s
data_type kd = 0.0;
data_type ts = 12.5;
data_type pmax = 40;
u32 op;

XPid pid;

int main()
{
    float result;
    init_platform();
    disable_caches();
    print("Adiuvo PID Example\\n\\r");
    XPid_Initialize(&pid,XPAR_XPID_0_DEVICE_ID);
    XPid_Set_set_point(&pid, *((u32*)&set_point ));
    XPid_Set_KP(&pid,  *((u32*)&kp));
    XPid_Set_KI(&pid,  *((u32*)&ki));
    XPid_Set_KD(&pid,  *((u32*)&kd));
    XPid_Set_ts(&pid,  *((u32*)&ts));
    XPid_Set_pmax(&pid,  *((u32*)&pmax));
    u32 tst = XPid_Get_set_point(&pid);
    for (int i =0; i