基于FPGA技術(shù)的模糊PID控制器在直流電機(jī)實(shí)時速度控制中的應(yīng)用完

1、編號： 畢業(yè)設(shè)計(論文)外文翻譯（譯文）院 （系）： 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 學(xué)生姓名： 梁永 學(xué) 號： 0800120122 指導(dǎo)教師單位： 機(jī)電工程學(xué)院 姓 名： 黃知超 職 稱： 副教授 2012年 5月 20 日基于fpga技術(shù)的模糊pid控制器在直流電機(jī)實(shí)時速度控制中的應(yīng)用摘要智能控制系統(tǒng)的設(shè)計已經(jīng)成為一個極具研究興趣的領(lǐng)域。設(shè)計此類控制系統(tǒng)的有效方法的發(fā)展，無疑需要人工智能中的多種思想的綜合。如今工業(yè)領(lǐng)域最常用的控制器是比例積分微分（pid）控制器。對于pid控制器而言，模糊邏輯控制器（flc）是又一個可選的控制方法，尤其是當(dāng)前系統(tǒng)模型不精確或不確定時。同時，數(shù)

2、字技術(shù)的進(jìn)步也給設(shè)計者們提供了新選擇，一種基于并行編程的現(xiàn)場可編程門陣列（fpga）的執(zhí)行控制器。這種方法與經(jīng)典的微處理器相比有很多的優(yōu)勢。在本文中，我們實(shí)現(xiàn)了一個基于xilinx fpga的實(shí)時模糊pid控制器的模型，介紹的是在負(fù)載改變時保持電機(jī)的速度恒定。作為復(fù)雜系統(tǒng)模型的一個例子，本模型把電機(jī)當(dāng)作隨負(fù)載變化的二階系統(tǒng)。為了比較，我們將應(yīng)用廣泛的“pid和模糊”控制器用相同的fpga芯片來實(shí)現(xiàn)，以此來檢測我們提出的系統(tǒng)的性能。在速度和負(fù)載變化的情況下，這些控制器經(jīng)過matlab/simulink程序的測試，模糊pid控制器展示出了在這一條件下驅(qū)動電機(jī)實(shí)習(xí)工作的優(yōu)勢。關(guān)鍵字：直流電機(jī)，模糊邏

3、輯控制，pid控制器，實(shí)時，fpga1 引言由于良好的速度控制性能，直流電機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)中，盡管它的維護(hù)成本比感應(yīng)電動機(jī)高。電流電機(jī)的調(diào)速范圍大，所以能又容易又好的控制。目前，由于pid控制器的簡明性、穩(wěn)定性和健壯性，使之成為應(yīng)用最為廣泛的一種控制器。然而，當(dāng)裝置的模型是復(fù)雜的或者裝置上負(fù)載的環(huán)境變化時，pid控制器就難以設(shè)計了。對直流電機(jī)而言，諸如未知的負(fù)載特性和參數(shù)變化等因素會嚴(yán)重影響速度控制器的控制效果。模糊控制器不需要裝置的數(shù)學(xué)模型。它依靠裝置操作者的經(jīng)驗，很容易使用。模糊邏輯已經(jīng)在大量的控制應(yīng)用中成功使用。作為最常用的控制器，pid控制器需要系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。在那些難以建立數(shù)學(xué)模

4、型的系統(tǒng)中， 模糊邏輯控制器是繼pid控制器之外又一個很好的工具。模糊邏輯控制器的控制方式可以用簡單的規(guī)則表達(dá)為“如果就”。在參數(shù)變化的線性或者非線性系統(tǒng)中，模糊邏輯控制器依然表現(xiàn)得很強(qiáng)健。為了創(chuàng)造更多的產(chǎn)品，控制器的硬件實(shí)現(xiàn)可以用多種方法完成。實(shí)現(xiàn)模糊控制器的最流行的方法是用多功能微處理器或者微控制器。在多功能計算機(jī)上用軟件程序?qū)崿F(xiàn)這些系統(tǒng)是較為簡單和常用的方法，但是這些方法不能作為合適的解決方案。高密度的可編程邏輯器件諸如現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（fpga）可在單片ic上集成大量邏輯單元。在近期，fpga是數(shù)字集成電路市場中增長最快的部分之一。數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展讓設(shè)計者在實(shí)現(xiàn)控制器上有了選擇，

5、如各種各樣的可編程邏輯器件(pld)、可編程門陣列(fpga)等。fpga既可以快速實(shí)現(xiàn)控制器又可以被編程為任何類型的數(shù)字功能。fpga能應(yīng)用的領(lǐng)域包括工業(yè)電機(jī)驅(qū)動、實(shí)時系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、計算機(jī)硬件仿真，還有其他更多樣的領(lǐng)域。在這次研究中提出的方法是：設(shè)計和具體實(shí)現(xiàn)實(shí)時模糊pid控制器是運(yùn)用以速度控制直流電機(jī)負(fù)荷變化作為一個應(yīng)用程序fpga。本文分為六個部分。第二部分是直流電機(jī)的基本原理。第三章著重模糊邏輯的設(shè)置。第四節(jié)涉及fpga和vhdl的軟件技術(shù)及其安裝。第五部分涉及三種類型控制器的設(shè)計，以及仿真和結(jié)果。在論文的最后部分總結(jié)了設(shè)計和該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。2.直流電機(jī)在圖1中所示的直流電機(jī)是一種

6、最常見的電機(jī),該產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)。圖2顯示了直流電機(jī)的電樞電路和可轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子。表1包含了用到的參數(shù)。圖1 直流電機(jī)圖2 直流電機(jī)的電樞電路和轉(zhuǎn)子參數(shù)數(shù)值慣性矩的轉(zhuǎn)子j=0.00025nm/rad/s²阻尼(摩擦)的機(jī)械系統(tǒng)b=0.0001nm/rad/s阻值ra=0.5電感值la=1.5mh電動勢常數(shù)k=0.05nm/a表1 直流電機(jī)參數(shù)輸入是電樞電壓v和測量變量軸的旋轉(zhuǎn)角速度rad/s。轉(zhuǎn)矩t與電樞電流都與ki有關(guān)。 （1）電動勢(emf)vb,與角速度有關(guān): （2）從圖2我們可以結(jié)合牛頓定律和基爾霍夫定律寫出下列方程: （3） （4）利用拉普拉斯變換,方程(3)及(4)

7、可以寫成: （5） （6）從(6)推斷i(s): （7） （8）該方程在圖3框圖中。從圖3框圖,不難發(fā)現(xiàn)傳遞函數(shù)從電壓v(s)輸入、到角速度輸 (9)圖3直流電機(jī)的傳遞函數(shù)框圖（10）3.模糊邏輯模糊邏輯(fl)是一種可以很好地解決控制問題的方法，它是通過模仿一個人做決定來實(shí)現(xiàn)的,只不過快很多。fl包含了一個簡單的規(guī)則 “如果x和y，那么z”方法解決控制問題,而不是運(yùn)用系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。fl模型基于操作者的經(jīng)驗,而不是他了解的系統(tǒng)技術(shù)。換句話說,模糊邏輯應(yīng)用于系統(tǒng)控制和分析設(shè)計, 因為它縮短了工程的發(fā)展時間，在非常復(fù)雜的系統(tǒng)下,這是解決問題的唯一辦法。每一個模糊邏輯系統(tǒng)由四個模塊組成，如圖4所示：

8、1)基礎(chǔ)知識:規(guī)則和參數(shù)的驗證功能2)決策單元:推理運(yùn)算規(guī)則。3)模糊化的界面:轉(zhuǎn)變成度的匹配輸入語言變量。4)去模糊化的界面: 模糊推理的變換產(chǎn)生了一個凈輸出。4. 可編程門陣列fpgas)fpgas如圖5所示,可以替代的可編程門陣列是一種可編程邏輯器 (plds)。它是基于一個集成電路,用戶為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯功能不同的復(fù)雜性可任意配置。fpgas可以非常有效地控制工藝要求很高的循環(huán)周期時間的過程。fpgas 優(yōu)于dsp或其他微處理器的基本原理是自由編程的并行性。因為不同部分的fpga可同時獨(dú)立執(zhí)行, 比起dsps其性能是不拘泥于時鐘頻率。這使fpga在數(shù)字控制系統(tǒng)安裝的表現(xiàn)超過通用計算機(jī)芯片

9、。圖4 模糊推理系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)圖5 fpga的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)5、控制器的設(shè)計本節(jié)介紹了采用fpga技術(shù)而的直流電機(jī)設(shè)計過程。為了給直流電機(jī)提供所需的電壓,我們需要一個pwm驅(qū)動如圖7。pwm(脈寬調(diào)制)是一種基于以模擬信號的標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字編碼。它的工作周期是進(jìn)行調(diào)制編碼的特定的模擬信號電平。脈寬調(diào)制信號的仍然是數(shù)字。圖6 直流電機(jī)控制器的框圖圖7 pwm信號因為在任何一個特定的瞬間,全直流供電要么是完全開通或完全關(guān)閉。電壓或電流源通過一個重復(fù)的一系列斷斷續(xù)續(xù)的脈沖模擬負(fù)載來供應(yīng)。圖7顯示三種不同pwm輸出pwm信號分別在10%、50%和的工作周期。這三個pwm輸出模擬信號編碼有三種不同的數(shù)值，10%，5

10、0%，90%設(shè)置整個直流電壓。5.1 pid控制器pid控制器算法如圖8所示。要在fpga卡建立一個數(shù)字pid控制器，有許多方法可以從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)。在這節(jié)中使用的是tus-tin的方法，這個pid控制器的方程是：有許多方法可以得到最合適kp，ki，kd的值。一種方法是使用曾在1950年代發(fā)展的技術(shù),直到今天仍然在使用。這就是我們所說的齊格勒尼科爾斯調(diào)諧方法。在控制設(shè)計中一個普通的經(jīng)驗法則對樣品來說至少4到20倍的上升時間系統(tǒng)的響應(yīng)速度, 所以我們將采樣時間選為4.1毫秒。因此,傳統(tǒng)的pid控制器的輸出將供給pwm(脈寬調(diào)制)的寄存器低速度。simulink仿真框圖的pid控制器的直流電機(jī)如圖9

11、所示。該控制器用matlab中的simulink來測試，其結(jié)果如圖10顯示。圖8 pid算法圖9 直流電機(jī)的pid速度控制器 圖10 pid控制器的階躍響應(yīng)。52 模糊邏輯控制器的“調(diào)速”fpga構(gòu)建了vhdl調(diào)速系統(tǒng)和嵌入式處理器picobalze。對直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如圖11所示。調(diào)速系統(tǒng)有兩個輸入的錯誤(e)和誤差變化(ce),和一個輸出低速度的pwm(脈寬調(diào)制)寄存器。圖12說明該方法可以達(dá)到希望的速度值。例如,在舞臺上這個錯誤是積極的（預(yù)想速度實(shí)際速度)，改變錯誤(錯誤最后一次錯誤)是消極的，這意味著他們的反應(yīng)是朝著正確的方向;因此,調(diào)速系統(tǒng)將朝著這個方向走。使用同一標(biāo)準(zhǔn)b階

12、段,這個錯誤是消極、ce是極大的消極; 因此,他們的反應(yīng)是朝著錯誤的方向,所以調(diào)速系統(tǒng)會改變它的方向入c級,直到達(dá)到希望的速度。在本文中, fpga中的mamdani方法實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的模糊邏輯。模糊邏輯包括三個基本的部分：模糊化、基本規(guī)則和去模糊化。5.2.1 模糊化模糊化錯誤的輸入,含有7個三角峰如圖13所示。如圖14所示，模糊化的變化型錯誤組的輸入,含有七個三角峰。圖15闡述了模糊的輸出組包含7個三角峰。圖11 對直流電機(jī)模糊邏輯調(diào)速控制器。圖12 誤差和誤差變化調(diào)速方法。圖13 誤差模糊的邏輯控制器圖14 改變誤差模糊的邏輯控制器圖15 模糊的模糊邏輯器輸出加入低速寄存器控制規(guī)則被描述成

13、為：如果錯誤是和改變錯誤是然后輸出。圖16所示用于模糊邏輯控制器基本規(guī)則5.2.3 去模糊化本文應(yīng)用重心，“質(zhì)心”的方法。圖17所示直流電機(jī)的模糊化速度控制器的simulink仿真框圖。該控制器用simulink的matlab程序測試。模糊控制器的結(jié)果如圖18所示。5.3 模糊-pid控制器在這里,另一個方法取決于在fpga中運(yùn)用了vhdl代碼的混合pid控制器與模糊控制器。因此, 利用模糊控制器進(jìn)行pid參數(shù)值的評估。一個完整的設(shè)計系統(tǒng)如圖19所示。圖16 模糊邏輯器的淺規(guī)則圖17 模糊邏輯的速度控制器。圖18 模糊控制器的階躍響應(yīng)如圖20所示，有輸出的kp,ki,kd。實(shí)際上對這些參數(shù)有三

14、種不同的模糊設(shè)置?？刂破麇e誤和變化的錯誤的輸入在此節(jié)中闡述。表3提出了采用模糊控制基本規(guī)則(kp)。實(shí)際上有三個基本規(guī)則表kp,ki，kd。直流電機(jī)的模糊-pid速度控制器利用simulink仿真框圖如圖21所示。圖19 對電磁感應(yīng)電動機(jī)的模糊-pid控制器圖20 對不同界線的kp,ki,kd的模糊設(shè)置圖21 采用模糊邏輯的速度控制器該控制器用matlab中的simulink測試過。模糊-pid控制器的結(jié)果如圖22所示。5.4 結(jié)果對比表4是控制器的比較表,從而發(fā)現(xiàn)模糊-pid控制器比起其他控制器是最好的控制器。本節(jié)所提出的三個控制器在硬件方面使用fpga卡，然而這些控制器用實(shí)時測試實(shí)驗來測試

15、。fpga中的一種輔助程序用來測試這些控制器的階躍響應(yīng)。在液晶顯示的這些程序的結(jié)果使用picoblaze處理器技術(shù)作為一種實(shí)時測試。圖22 模糊-pid控制器的階躍響應(yīng)液晶顯示的預(yù)期的速度、超調(diào)、沉降時間、每個控制器pid參數(shù),如圖23、24 所示。實(shí)時實(shí)驗的結(jié)果,已經(jīng)非常接近matlab的仿真。兩個通道的光學(xué)編碼器是用來讀取馬達(dá)的速度，電機(jī)的方向如圖25所示。許多特點(diǎn)用作系統(tǒng)的過載保護(hù)，電機(jī)方向開關(guān),我們就用三個開關(guān)選擇控制器的類型和指定的pid控制器的參數(shù)。5.5 modelsim結(jié)果pwm算法用來檢驗modelsim(vhdl模擬器)的程序,這是一個強(qiáng)大的模擬器。使用這個模擬器我們可以指

16、定輸入和輸出端口，然后模擬器將測試 vhdl的代碼如圖26。圖23 液晶fpga卡和控制鍵圖24 在液晶上的實(shí)時結(jié)果6總結(jié)在本文中,選用模糊-pid控制器控制直流電機(jī)的原因是其速度優(yōu)于傳統(tǒng)的pid控制器?？刂品桨冈趘hdl被模擬、設(shè)計。實(shí)驗結(jié)果表明,針對系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng),所提及的控制器優(yōu)于經(jīng)典的pid和模糊控制器。這些控制器用matlab / simulink仿真程序進(jìn)行了速度和加載變化方面的測試。實(shí)驗結(jié)果表明,模糊pid控制器是最好的控制器。圖25 數(shù)字光學(xué)編碼器圖26 modelsim pwm信號圖27 spartan-3a,xilinx公司7.參考文獻(xiàn)（1）s. raghavan, “di

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