基于模型的设计(MBD)因其在缩小实时系统抽象的数学建模和物理实现之间差距方面的光明前景而备受关注。通过使用相同的源代码进行算法分析、架构探讨、行为模拟和硬/软件设计，MBD有望缩短系统设计周期。
无需通晓硬件描述语言(HDL)，为DSP提供的Xilinx System Generator即可让控制工程师在熟悉的Simulink环境中设计系统，然后在FPGA中实施。为此，必须将受控系统(通常称之为设备)的数学模型参数值(如连续/离散时间传递函数或状态空间描述)与FPGA系统时钟频率和数字控制器的采样率关联起来。
FPGA中的数字控制器
之前，在实施FPGA时，控制器设计人员在首次验证控制策略和参数并进行控制器和设备模型的高级模拟(如使用Simulink)后，可能还会使用一种低级的HDL。HDL控制器设计与Simulink模拟之间的对应性将由HDL测试平台加以验证。为在闭环系统中验证控制器设计，该测试平台必须包括设备模型。对于缺乏HDL和FPGA技术专业背景的设计人员及大多数控制工程师而言，要实现上述这一切却并非易事。在这种情况下，如Xilinx System Generator之类的高级建模和设计环境正是理想之选。
System Generator中的PID控制器
鉴于许多控制器仍基于传统的比例-积分-微分(PID)结构，借用一个PID控制器来演示本文的观点。同时，本文概述的方法也可较好地处理超前滞后补偿器、状态空间观测器或者自适应控制器等其他常用的控制组件。图1所示为采用源自赛灵思模块集的模块而设计的PID控制器。
图1 基于System Generator模块且支持抗饱和功能的PID控制器
这里没有使用赛灵思的累加器模块，而是采用基本的加法器和寄存器构建块来实现集成。这样做可以插入如图1所示的抗饱和逻辑，以便在控制器输出的积分部分达到执行器规定的饱和限值时，冻结累加器寄存器中的内容。抗饱和逻辑可使PID控制器成为非线性系统，并对系统的总体动态产生积极的影响。
图2所示的模块参数菜单可用来配置各种信号的控制参数和字宽。
图2 PID控制器的定制参数菜单
另外，设计人员还能在此启用或停用抗饱和函数。利用该菜单，无需修改低级HDL代码即可方便地进行实验。
图3所示为整体系统模型，其不仅包含控制器，还有基于标准Simulink模块的设备和模拟测试平台。借助该模型，设计人员可采用连续或离散时间传递函数进行设备建模，而在HDL测试平台中则只能使用离散时间函数。值得一提的是，采用System Generator方法，就可以通过同一个高级模型完成从系统建模、模拟、验证直至实施的任何工作。
