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基于FPGA的模糊控制器设计与实现

何炯  
【摘要】: 模糊控制是智能控制的重要组成部分,能够对难以建立精确数学模型的控制对象进行有效的控制,因此具有广泛的应用领域,如专家系统、数字信号处理、过程控制、通讯系统等。传统的模糊推理系统使用高级语言由软件实现,或基于通用型微处理器实现,但都具有局限性。考虑到模糊运算的特征,更接近并行处理数据方式,因此模糊控制更适合由专用电路实现,不但能提高处理速度,而且能提高系统稳定性。 现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的逻辑可编程性使其具备实现专用集成电路的能力,满足片上系统设计的要求,成为可编程逻辑器件的发展趋势。本文将FPGA技术与模糊控制理论相结合,设计并实现了全新的基于FPGA技术的模糊控制器,充分利用FPGA的高速并行数据处理能力,为模糊控制器的实现建立了硬件平台。以分段二次多项式曲线拟合模糊隶属度函数,不需对各类隶属度函数分别设计;以激活机制模糊推理规则实现模糊推理,减少系统计算量,且不影响正确模糊控制量的输出;以对数减法运算替代除法运算,提高了数据处理速度,保证系统的实时性。将模糊控制器中的运算做适当分解,在FPGA上设计十级流水线结构实现模糊运算,并可针对不同的控制对象调整模糊控制器的隶属度函数和模糊规则。 将此模糊控制器用作DC/DC变换器的数字控制器,首先分析变换器的数学模型,设定模糊控制器相关参数;在MATLAB/Simulink环境下使用PLECS工具箱对DC/DC变换器建模,仿真结果验证了该模糊控制器的可行性;使用Xilinx XC3S500E FPGA芯片实现模糊控制器,获得良好的实验结果。


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