VHDL-AMS在控制系統(tǒng)分析與設計中的應用

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 Std1076.1標準，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控制原理進行數學分析，建立PID控制器的數學模型，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

集總參數連續(xù)時間系統(tǒng)的行為描述通常是用微分／代數方程組來進行描述，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(包括一階導數和高階導數)。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：數據類型類、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，其中num、den分別為分子、分母多項式的系數。LTF／ZTF屬性對主要以傳遞函數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。