变论域自适应模糊控制器的VLSI实现研究

论文摘要

模糊控制已成功的应用于很多领域,但传统的模糊控制器的控制规则固定,由于缺乏自学习或自适应能力而限制了其控制效果。因此,研究在线自适应模糊控制器及其硬件实现成为必须。目前绝大部分自适应模糊控制电路调节的是控制规则的前件、后件参数,需要大量计算和存储资源,难以用电路尤其是模拟电路实现。这类传统自适应模糊控制器尚没有完整的模拟/混合信号实现的芯片。变论域自适应模糊控制器（VFLC）以其论域可变提高控制效果,自适应调节的参数仅有输入和输出论域伸缩因子,相比之下更容易用硬件实现。本文研究了它的VLSI实现,论文的主要工作和创新点如下:改进了VFLC的算法使之更适合硬件实现:取消了监督控制;提出一种新型的尖三角形隶属度函数来直接实现输入变论域过程,大大减轻了复杂性;将输出变论域部分在原有的积分调节法基础上增加求绝对值运算,使输出更加稳定可靠。首次提出VFLC的数字电路结构,用Verilog-HDL硬件描述语言描述其行为并验证,在ActiveHDL与Matlab/Simulink联合仿真环境下对非线性系统的闭环仿真显示该数字系统很好的完成了变论域功能。提出并实现了基于模拟电路的常规0阶T-S模糊控制器的各个单元电路和整体的两输入一输出模糊控制器芯片,包括新型结构精简的隶属度函数电路、电流模求小电路、乘法器和重心法去模糊电路。首次提出并用CSMC（上华）0.6μm CMOS工艺实现了基于模拟电路的片上自适应两输入一输出变论域模糊控制器芯片。提出一种“万能”隶属度函数电路,在不同的参考点压下,既能产生VFLC所需的尖三角形隶属度函数,又能产生常规的Z型、S型和高斯型隶属度函数。因而在不同的配置下可使VFLC芯片工作在自适应或非自适应两种工作模式,扩大了应用范围。输出变论域部分由积分器和绝对值电路构成。制作了PCB板并完成芯片测试,结果显示该芯片实现了变论域模糊控制功能,推理速度为200K FLIPS,功耗为10mW,核心部分的芯片面积为1.1mm2,接口均为电压信号,片外要求仅需电阻、电容。对比其他自适应模糊控制芯片,在面积、接口形式和片外要求上均有优势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 模糊理论和模糊控制
• 1.1.2 自适应模糊控制器
• 1.1.3 集成电路实现的自适应模糊控制器
• 1.2 课题研究的主要内容
• 第2章 自适应模糊控制基本理论
• 2.1 模糊控制的基本理论
• 2.1.1 模糊集合、模糊关系和合成运算
• 2.1.2 模糊规则、模糊推理和去模糊运算
• 2.1.3 模糊控制器的构成
• 2.1.4 常规模糊控制器的优缺点及改进方向
• 2.2 自适应模糊控制基本理论
• 2.2.1 系统稳定性的基本概念和判定定理
• 2.2.2 非线性系统的稳定控制问题
• 2.2.3 自适应模糊控制器基本概念及分类
• 2.2.4 传统自适应模糊控制理论的代表
• 2.2.5 传统自适应模糊控制的分析
• 2.3 本章小结
• 第3章 变论域自适应模糊控制理论及其改进
• 3.1 李洪兴的变论域自适应模糊控制理论
• 3.1.1 变论域的直观理解
• 3.1.2 变论域伸缩因子的构造
• 3.1.3 变论域自适应模糊控制的稳定性理论基础
• 3.1.4 李洪兴变论域理论的分析
• 3.2 变论域理论的改进
• 3.2.1 非线性系统的控制策略
• 3.2.2 输入论域伸缩因子
• 3.2.2.1 输入论域伸缩因子α（x）的近零性
• 3.2.2.2 输入论域变换过程复杂的问题
• 3.2.3 输出论域伸缩因子
• 3.2.4 基本模糊控制器的构成
• 3.2.5 总结改进后的变论域控制器
• 3.3 非线性系统的控制实例
• 3.3.1 一阶不稳定系统
• 3.3.2 二阶混沌系统
• 3.3.3 几种自适应模糊控制器的分析和比较
• 3.4 本章小结
• 第4章 常规模糊控制器的低功耗模拟电路实现
• 4.1 模糊控制器的硬件电路实现概述
• 4.2 隶属度函数电路
• 4.2.1 差分对型跨导放大器的传输特性
• 4.2.2 Z 型、S 型隶属度函数电路
• 4.2.3 三角型隶属度函数电路
• 4.3 模糊推理－求小电路
• 4.4 乘法器与去模糊电路
• 4.5 模糊控制器系统的集成
• 4.5.1 模糊控制器芯片及测试PCB 板
• 4.5.2 芯片测试结果
• 4.6 本章小结
• 第5章 变论域自适应模糊控制器的硬件电路实现
• 5.1 VFLC 的数字电路设计
• 5.1.1 输入输出论域伸缩因子
• 5.1.2 模糊化和有效规则提取
• 5.1.3 联合仿真结果
• 5.2 VFLC 的模拟电路实现概述
• 5.3 输入变论域——尖三角形隶属度函数电路
• 5.4 输出变论域伸缩因子电路
• 5.4.1 积分器电路
• 5.4.2 绝对值电路
• 5.4.3 运算放大器
• 5.5 VFLC 的模拟电路芯片实现
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论
• 6.1 论文工作的主要成果
• 6.2 论文工作的主要创新点
• 6.3 进一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果