基于FPGA的PID智能控制器的研究

摘要

工业生产过程往往具有非线性、不确定性，难以建立精确的数学模型。应用常规的PID控制器难以达到理想的控制效果。作为的重要分支，人工神经网络具有良好的非线性映射能力和高度的并行信息处理能力，已成为非线性系统建模、辨识和控制中常用的理论和方法。其中，神经元具有很强的信息综合、学习记忆、自学习和自适应能力，可以处理那些难以用模型和规则描述的过程，将神经元与PID结合，应用到实际的控制中，可以在线调整PID的参数，使系统具有较强的抗干扰能力、自适应能力和较好的鲁棒性。 目前，人工神经网络的研究主要是神经网络的理论研究、神经网络的应用研究和神经网络的实现技术研究，这三方面是相互依赖和相互促进的关系。本文主要侧重的是神经网络的实现技术研究方面，创新性地利用FPGA嵌入式系统开发技术实现单神经元PID智能控制器的研究与设计，并将其封装成为一个专用的IP核供其他的控制系统使用。 首先，对单神经元PID智能控制器的设计原理和设计算法进行了深入的研究与分析；其次，利用MATLAB设计单神经元PID智能控制器，针对特定的被控对象，对其进行仿真实验，获得比较理想的系统输出；然后，研究基于FPGA的单神经元智能控制算法的实现，对控制器进行VHDL语言分层设计，使用Altera公司的软件QuartusⅡ6.1进行仿真实验。两个仿真实验结果表明，基于FPGA的单神经元智能控制器比MATLAB设计的单神经元PID智能控制器性能优良。 本文的设计模块主要包括权值修改模块、误差计算模块、权值产生模块和输出模块。在各个模块的设计中进行了优化处理，使本文的设计不仅利用的硬件资源少，而且也有很快的运行速度，同时也改善了传统控制器的控制性能。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1 FPGA和硬件描述语言

1.1.1 FPGA的概述

1.1.2硬件描述语言的概述

1.1.3自顶向下的设计方法

1.2传统PID控制器的概述

1.2.1传统PID控制器的发展

1.2.2传统PID控制器的应用

1.3 FPGA技术在智能控制领域的研究状况

1.4课题来源及研究的主要内容

第2章基于FPGA设计方法的研究

2.1引言

2.2 FPGA的产品和开发工具的介绍

2.2.1 FPGA与CPID及ASIC比较

2.2.2基于FPGA的设计方法

2.3 IP核复用技术

2.4本章小结

第3章基于神经网络的PID智能控制

3.1引言

3.2 PID控制器原理

3.2.1模拟PID控制

3.2.2数字PID控制

3.3基于单神经元网络的PID智能控制

3.3.1人工神经元模型

3.3.2神经网络的学习规则

3.3.3单神经元PID控制器

3.4本章小结

第4章基于FPGA神经网络的PID控制器的研究

4.1引言

4.2基于FPGA神经网络控制器的总体框架设计与分析

4.3基于FPGA的单神经元PID控制器的总体实现结构

4.4基于FPGA的单神经元自适应PID控制器各模块的实现

4.4.1误差计算模块的设计与分析

4.4.2权值修改模块的设计与分析

4.4.3权值产生模块的设计与分析

4.4.4输出模块的设计与分析

4.4.5单神经元自适应PID控制的RTL结构图

4.5基于FPGA的神经网络的算法的设计与分析

4.5.1加法器的设计分析

4.5.2减法器的设计与分析

4.5.3乘法器的设计与分析

4.6本章小结

第5章仿真与测试

5.1基于单神经元网络的PID智能控制的MATIAB仿真

5.2基于FPGA的神经网络控制器的仿真测试

5.3速度性能分析

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢