基于FPGA的多變量預(yù)測(cè)控制器的研究與開(kāi)發(fā).pdf

1、預(yù)測(cè)控制在石油化工領(lǐng)域的巨大成功證明了預(yù)測(cè)控制相對(duì)于其他的智能控制如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),最優(yōu)控制等具有很強(qiáng)的實(shí)用性。目前,預(yù)測(cè)控制已經(jīng)在更廣的范圍內(nèi)得到了應(yīng)用,如輪船,飛機(jī),汽車等[1] [4]。新的應(yīng)用要求控制器具有微型化,智能化,高實(shí)時(shí)性,低成本等特點(diǎn)。由于預(yù)測(cè)控制的滾動(dòng)優(yōu)化部分涉及到多維搜索,控制器需要進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算。FPGA(Field Programmable Gate Array)作為一種半定制的集成電路已經(jīng)廣泛應(yīng)用在汽車,工業(yè),通信

2、,航空航天等領(lǐng)域。FPGA芯片體積小的特點(diǎn)能夠滿足微型化的要求；可重構(gòu)的特點(diǎn)能滿足智能化的要求；并行計(jì)算,硬件加速的特點(diǎn)能滿足高實(shí)時(shí)性的要求；相對(duì)于工控機(jī),FPGA具有低成本的特點(diǎn),因此有必要研究基于FPGA的預(yù)測(cè)控制器。本研究的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)基于FPGA的多變量預(yù)測(cè)控制器,該控制器能對(duì)小型工業(yè)對(duì)象進(jìn)行優(yōu)化控制,本文首先介紹基于FPGA的多變量預(yù)測(cè)控制器的基礎(chǔ)知識(shí),包括預(yù)測(cè)控制原理,單/多變量DMC算法,帶約束的多變量DMC算法和FPG

3、A/SOPC的應(yīng)用開(kāi)發(fā)介紹,包括FPGA結(jié)構(gòu)特點(diǎn),SOPC技術(shù),NIOS II軟核處理器,基于HDL的數(shù)字設(shè)計(jì)與綜合等。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了以下研究工作：一。采用以NIOS II軟核處理器為核心的SOPC系統(tǒng),在Altera公司的Cyclone II FPGA上實(shí)現(xiàn)多變量DMC控制器。本文首先將DMC算法在Matlab平臺(tái)上進(jìn)行了仿真驗(yàn)證,然后將算法采用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn),再將基于浮點(diǎn)數(shù)的C語(yǔ)言算法優(yōu)化為基于定點(diǎn)數(shù)的C語(yǔ)言程序以加快計(jì)算速度和便于利

4、用Impulse C工具將C語(yǔ)言模塊轉(zhuǎn)化為HDL模塊。控制器在FPGA中的實(shí)現(xiàn)分為硬件與軟件設(shè)計(jì)兩部分,硬件部分主要包括NIOS II內(nèi)核定制,標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)添加,基于Impulse C的自定義外設(shè)的定制與添加；軟件部分包括多變量DMC算法C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)以及基于UART的FPGA與MATLAB通信實(shí)現(xiàn)。二。創(chuàng)建FPGA與MATLAB/Simulink的聯(lián)合仿真平臺(tái),對(duì)基于FPGA的多變量預(yù)測(cè)控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。以雙容水箱模型為被控對(duì)象,在Simu