摘 要：硬件描述語言VHDL在現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計中應用廣泛，但VHDL只能用于設計數(shù)字系統(tǒng)。具有混合信號系統(tǒng)描述能力的硬件描述語言VHDL-AMS是目前電子設計技術的新發(fā)展，能實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)設計方法的統(tǒng)一，目前仍處于研究階段。介紹VHDL-AMS的新特性，通過對PID控制原理進行數(shù)學分析，建立PID控制器的VHDL-AMS模型，并進行仿真分析。可以看出，應用VHDL-AMS使得控制系統(tǒng)的建模和仿真分析更加簡捷有效，因此具有良好的應用前景。

關鍵詞：硬件描述語言;混合信號系統(tǒng);VHDL-AMS;PID

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：B 文章編號：1004373X(2008)1712002

Application of VHDL-AMS in Control System Analysis and Design

DONG Pusong

(Shaanxi Ruyi Electric Company，Xianyang，712099，China)

Abstract：Hareware description languge-VHDL is used widely in modern electronic system design，but it only used to describe digital electronic system.VHDL-AMS which includes analog and mixed signal extensions to IEEE standard VHDL is new progress of electionic system design，it can build mixed signal sytstem and still be in the process of research.PID controller is implemented based on VHDL-AMS by mathematical formula.Simulation result of PID controller is presented.Design and analysis of control systems are simplified by VHDL-AMS because of its capacity of modeling multi-disciplines systems.VHDL-AMS will be widely used in many areas.

Keywords：hardware description language;mixed signal system;VHDL-AMS;PID

1 引 言

EDA是現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計的關鍵技術。硬件描述語言VHDL以其“代碼復用”(code re-use)遠高于傳統(tǒng)的原理圖輸入法等諸多優(yōu)點，逐漸成為EDA技術中主要的輸入工具。然而，基于IEEE VHDL Std 1076-1993標準的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，這無疑是一個缺點。為此，IEEE于1999年發(fā)布了IEEE VHDL Std 1076.1標準^［1］，擴展了VHDL對模擬電路及混合信號系統(tǒng)的描述和仿真能力。1076標準和1076.1標準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，廣泛應用于過程控制和運動控制中，特別適用于可建立精確數(shù)學模型的確定性系統(tǒng)中。

本文介紹VHDL-AMS的新概念和新特性。通過對PID控制原理進行數(shù)學分析，建立PID控制器的數(shù)學模型，實現(xiàn)PID控制器的VHDL-AMS行為級建模，并進行仿真分析。

2 VHDL-AMS的新特性

集總參數(shù)連續(xù)時間系統(tǒng)的行為描述通常是用微分/代數(shù)方程組來進行描述，即：F(x，dx/dt，t)=0其中F是表達式的向量形式，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數(shù)(包括一階導數(shù)和高階導數(shù))。在VHDL-AMS語言中新增的第一個概念是用于定義表示微分/代數(shù)方程組中的未知量的關鍵字量(Quantity)。量是浮點的標量類型，在VHDL-AMS中可以在任何可以用信號signal描述的地方出現(xiàn)。

VHDL-AMS中新增加的第二個概念是端點(terminal)，用于定義守恒系統(tǒng)端口的端點及內(nèi)部的端點。端點可以在任何可以用信號signal描述的地方使用，而且端點還可以作為實體的接口允許在PORT語句中使用。

IEEE Std VHDL 1076.1補充了一類新語句，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：

［標號:］ 表達式＝＝表達式

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的基礎上，VHDL-AMS新增了16種預定義屬性，可以分為四類：數(shù)據(jù)類型類、容差類、量類和信號類。這些新增的預定義屬性使得VHDL-AMS具有更為強大的行為描述能力。例如，預定義屬性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、分母多項式的系數(shù)。LTF/ZTF屬性對主要以傳遞函數(shù)為分析和設計的控制系統(tǒng)建模變得非常方便。

3 VHDL-AMS控制系統(tǒng)分析和設計的應用

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。

圖1 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖PID控制器主要由三部分組成：比例環(huán)節(jié)，積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)。其中比例環(huán)節(jié)反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一量產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差；積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的無差度；微分環(huán)節(jié)反映偏差信號的變化趨勢，并能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文