⚙️ 3.3 PID制御のASIC実装（デジタル／アナログ）

Section 3.3: PID Controller Implementation (Digital / Analog)

🎯 目的と役割 / Purpose and Role

PID制御器は、FSMからの命令（例：歩け、止まれ）に対して、
対象システム（アクチュエータやセンサ出力）を安定的に制御するための理性的制御層です。
The PID controller is a rational control layer that stabilizes the system (e.g., actuators, sensors) in response to FSM commands such as “walk” or “stop”.

AITL-H構造では、中間層として物理実体との橋渡しを行い、
制御の「応答速度」「安定性」「フィードバック性」を確保します。
It bridges digital decision logic with physical systems, ensuring responsiveness, stability, and feedback performance.

🧮 PID制御の基本式（離散型） / Discrete PID Equation

• $e[k] = r[k] - y[k]$: 目標値と現在値の差 / Error (target - actual)
• $u[k]$: 出力 / Output
• $K_p, K_i, K_d$: 比例・積分・微分ゲイン / Proportional, Integral, Derivative gains

🛠️ デジタルPID制御器のRTL構成 / RTL Implementation of Digital PID

module pid_controller (
    input wire clk,
    input wire rst,
    input wire signed [15:0] ref,     // 目標値 / reference value
    input wire signed [15:0] y,       // 現在値 / current value
    output reg signed [15:0] u_out    // 制御出力 / control output
);

    parameter signed [15:0] Kp = 16'sd2;
    parameter signed [15:0] Ki = 16'sd1;
    parameter signed [15:0] Kd = 16'sd1;

    reg signed [15:0] e, e_prev, integ, deriv;

    always @(posedge clk or posedge rst) begin
        if (rst) begin
            e <= 0;
            e_prev <= 0;
            integ <= 0;
            deriv <= 0;
            u_out <= 0;
        end else begin
            e <= ref - y;
            integ <= integ + e;
            deriv <= e - e_prev;
            u_out <= Kp*e + Ki*integ + Kd*deriv;
            e_prev <= e;
        end
    end
endmodule

⚠️ 注意 / Caution：積分飽和やオーバーフロー制御は別途設計が必要です。
Integral windup and overflow protection require additional logic.

🔄 FSMとの連携 / Connection with FSM

FSMは「行動指令」、PIDは「連続制御」。FSMの action_out は、
PID制御器の目標値 ref に変換されて接続されます。
FSM issues behavior commands, which are converted to reference values (ref) for PID control.

PIDはこの ref に基づいて u_out を生成します。
The PID controller generates u_out based on ref.

🔌 ポート設計と接続 / Port Design and Integration

⚖️ アナログPIDとの比較 / Digital vs Analog PID

デジタルPIDから学び、アナログ実装は補足的に扱います。
Begin with digital; analog is for advanced cases.

📝 設計の注意点 / Design Considerations

• 🧯 積分飽和対策 / Integral Windup：積分値の上限・下限設計
• 🧮 固定小数点演算 / Fixed-point Arithmetic：スケーリングとシフト制御
• 🔄 FSM→PID変換 / FSM-to-PID Mapping：補助モジュール設計が必要

📎 Previous｜前節：
🔙 3.2 FSM設計とRTLモジュール構成

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👉 3.4 LLMとの接続設計（RISC-V・I/O連携）
How to interface LLM-based instructions with RISC-V SoC and I/O control modules.

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