基于FPGA的模糊控制器设计与实现

论文摘要

模糊控制是智能控制的重要组成部分,能够对难以建立精确数学模型的控制对象进行有效的控制,因此具有广泛的应用领域,如专家系统、数字信号处理、过程控制、通讯系统等。传统的模糊推理系统使用高级语言由软件实现,或基于通用型微处理器实现,但都具有局限性。考虑到模糊运算的特征,更接近并行处理数据方式,因此模糊控制更适合由专用电路实现,不但能提高处理速度,而且能提高系统稳定性。现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的逻辑可编程性使其具备实现专用集成电路的能力,满足片上系统设计的要求,成为可编程逻辑器件的发展趋势。本文将FPGA技术与模糊控制理论相结合,设计并实现了全新的基于FPGA技术的模糊控制器,充分利用FPGA的高速并行数据处理能力,为模糊控制器的实现建立了硬件平台。以分段二次多项式曲线拟合模糊隶属度函数,不需对各类隶属度函数分别设计;以激活机制模糊推理规则实现模糊推理,减少系统计算量,且不影响正确模糊控制量的输出;以对数减法运算替代除法运算,提高了数据处理速度,保证系统的实时性。将模糊控制器中的运算做适当分解,在FPGA上设计十级流水线结构实现模糊运算,并可针对不同的控制对象调整模糊控制器的隶属度函数和模糊规则。将此模糊控制器用作DC/DC变换器的数字控制器,首先分析变换器的数学模型,设定模糊控制器相关参数;在MATLAB/Simulink环境下使用PLECS工具箱对DC/DC变换器建模,仿真结果验证了该模糊控制器的可行性;使用Xilinx XC3S500E FPGA芯片实现模糊控制器,获得良好的实验结果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 现场可编程逻辑器件
• 1.2 EDA 设计方法概述
• 1.3 模糊控制概述
• 1.3.1 模糊控制的发展历程
• 1.3.2 模糊控制的传统实现方法
• 1.3.3 模糊控制专用硬件处理器
• 1.3.4 国内外研究现状
• 1.4 基于FPGA 的模糊控制器的研究意义
• 1.4.1 基于FPGA 的模糊控制器的优势
• 1.4.2 基于FPGA 的模糊控制器的前景和课题的主要任务
• 1.5 本章小结
• 第二章 模糊系统理论基础及工程应用
• 2.1 模糊系统基础理论
• 2.2 模糊控制系统在工程中的应用
• 2.2.1 常规控制系统
• 2.2.2 模糊逻辑控制
• 2.2.3 典型模糊控制器设计
• 2.3 本章小结
• 第三章 模糊控制器设计实现
• 3.1 控制器整体设计
• 3.2 设计实现要点
• 3.2.1 隶属度函数
• 3.2.2 模糊推理
• 3.2.3 流水线
• 3.2.4 除数运算
• 3.3 控制器流水线结构
• 3.4 系统数据格式
• 3.5 系统模块详细设计
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于FPGA 的模糊控制器的应用与验证
• 4.1 控制对象分析
• 4.2 仿真实验
• 4.3 实验及其结果
• 4.4 本章小结
• 第五章 结束语
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录