基于FPGA的模糊前馈解耦控制器研究

论文摘要

耦合是过程控制系统中普遍存在的一种现象,它会降低控制系统的调节品质,甚至会导致系统瘫痪。因此研究解耦问题,无论在控制理论还是工程实践中,都具有十分重要的意义。目前,解耦方法主要通过软件实现。然而该种方法由于指令串行执行,存在滞后性,无法满足对速度要求较高的被控对象。而采用硬件解耦便可以实时地控制被控对象。硬件解耦的方式很多,其中采用FPGA进行解耦是一种理想的方法。FPGA是一种大规模的可编程逻辑器件。它采用EDA技术,以硬件描述语言作为系统的逻辑描述表达方式,具有开发周期短、速度快、可在线升级、适合于分工设计,团体协作等特点。基于偏差的模糊前馈解耦算法是一种实用算法。该算法一方面采用模糊控制,不需要对被控对象建立精确的数学模型,适用于具有非线性,时变和耦合等特征的控制对象。另一方面它是基于偏差的,相对于基于输出等形式的解耦算法来说,其反映速度快。本文在分析了大量常见耦合现象的基础上,设计了一种基于FPGA的模糊前馈解耦控制器。以FPGA作为载体,控制器具有体积小,功耗低,可靠性高等特点;采用软件思想硬件化的设计方法,控制器提高了其响应速度。在仿真与具体实验过程中,本文采用了不同的被控对象予以研究。实验结果表明:该控制器的解耦效果明显,为解耦技术的应用提供了一条可行的途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本课题研究的意义
• 1.3.1 可编程逻辑器件和硬件描述语言的发展
• 1.3.2 基于FPGA 的模糊前馈解耦控制器的意义
• 1.3.3 基于FPGA 的模糊前馈解耦控制器的特点
• 1.4 本课题所做的工作
• 第二章 理论基础
• 2.1 经典的控制理论基础
• 2.1.1 前馈控制理论
• 2.1.2 前馈-反馈控制理论
• 2.2 模糊控制理论基础
• 2.2.1 模糊数学基础
• 2.2.2 模糊控制理论
• 2.2.3 解析的模糊控制理论
• 2.3 小结
• 第三章 模糊前馈解耦控制算法的实现
• 3.1 控制算法总体设计
• 3.2 主回路控制算法
• 3.3 模糊前馈解耦控制算法
• 3.3.1 前馈解耦控制算法
• 3.3.2 模糊前馈解耦控制算法
• 3.4 小结
• 第四章 模糊前馈解耦控制器的仿真与分析
• 4.1 无耦合情况下多回路的仿真
• 4.2 耦合情况下多回路的仿真
• 4.3 解耦情况下多回路的仿真
• 4.4 小结
• 第五章 基于FPGA 的模糊前馈解耦控制器硬件设计
• 5.1 硬件系统组成
• 5.2 FPGA 设计概述
• 5.2.1 FPGA 特点
• 5.2.2 FPGA 设计流程
• 5.3 各模块的设计与实现
• 5.3.1 时钟分频模块
• 5.3.2 A/D 转换控制模块
• 5.3.3 D/A 转换控制模块
• 5.3.4 A/D-D/A 转换控制模块
• 5.3.5 单回路PID 控制器模块
• 5.3.6 耦合模块
• 5.3.7 解耦模块
• 5.4 实验结果与分析
• 5.4.1 硬件平台
• 5.4.2 实验结果与分析
• 5.5 小结
• 第六章 工作总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 研究生期间取得的科研成果
• 致谢