本文關(guān)鍵詞：非線性模型預(yù)測控制器的FPGA全硬件實現(xiàn)及應(yīng)用，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：模型預(yù)測控制是一種基于系統(tǒng)當前狀態(tài)預(yù)測系統(tǒng)未來動態(tài)從而實現(xiàn)反饋控制的先進計算機控制算法,由于模型預(yù)測控制具有在線顯式處理多約束、多目標等優(yōu)化問題并具有很好的控制性能等系列優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于小型或冶金、制藥、石油化工等慢動態(tài)系統(tǒng)。由于實際系統(tǒng)存在固有的約束非線性、工作點大范圍變化,隨著系統(tǒng)日趨復(fù)雜及控制性能要求的不斷提高,以往被廣泛采用的基于線性化模型的模型預(yù)測控制已無法滿足要求。因此,非線性模型預(yù)測控制逐漸成為研究熱點。非線性模型預(yù)測控制需要在線求解非線性規(guī)劃問題,計算負擔更大,在線計算性能是限制非線性模型預(yù)測控制應(yīng)用的瓶頸。為提高非線性模型預(yù)測控制在線計算能力,本文基于Verilog硬件描述語言從FPGA(Field Programmable Gate Array,現(xiàn)場可編程門陣列)硬件實現(xiàn)角度,采用粒子群優(yōu)化算法求解非線性規(guī)劃問題,通過并行設(shè)計、流水線設(shè)計與資源共享等,得到滿足速度與面積要求的高性能硬件非線性模型預(yù)測控制器,為驗證非線性模型預(yù)測控制器的快速性及有效性,對輪式移動機器人軌跡跟蹤控制進行了實時實驗,實驗結(jié)果驗證了基于Verilog硬件描述語言設(shè)計非線性模型預(yù)測控制器的實時性與有效性。本文進行的工作主要包括以下三個方面:1.綜合考慮輪式移動機器人快速穩(wěn)定軌跡跟蹤控制要求及執(zhí)行機構(gòu)約束問題,基于輪式移動機器人軌跡跟蹤問題建立非線性模型預(yù)測控制器并完成離線驗證。為解決求解非線性規(guī)劃時,MATLAB工具箱或商業(yè)求解軟件中庫函數(shù)難以在FPGA上實現(xiàn)的問題,本文采用算法結(jié)構(gòu)簡單、具有并行計算機制的粒子群優(yōu)化算法求解非線性規(guī)劃問題。在MATLAB中搭建輪式移動機器人數(shù)學模型,根據(jù)控制要求,設(shè)計粒子群優(yōu)化算法求解非線性規(guī)劃問題,搭建“非線性模型預(yù)測控制器-輪式移動機器人”閉環(huán)系統(tǒng),并完成輪式移動機器人軌跡跟蹤實驗,最后通過與“NAG”求解非線性規(guī)劃問題仿真結(jié)果的比較,驗證了粒子群優(yōu)化算法求解本文非線性規(guī)劃問題的有效性。2.為提高非線性模型預(yù)測控制器的在線計算能力,通過Verilog硬件描述語言設(shè)計基于FPGA的非線性模型預(yù)測控制器。首先按照FPGA開發(fā)流程,設(shè)計非線性模型預(yù)測控制器頂層電路結(jié)構(gòu);然后為提高控制器運算速度,通過算法分析,設(shè)計各功能模塊的電路結(jié)構(gòu)及定點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),各個模塊根據(jù)實際精度選擇不同的電路結(jié)構(gòu)及定點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);然后按照自底向上的原則通過Verilog硬件描述語言設(shè)計目標函數(shù)模塊、矩陣運算模塊、隨機數(shù)發(fā)生模塊及三角函數(shù)模塊等。通過改變代碼描述方式嘗試不同架構(gòu)及定點數(shù)據(jù)類型,在Model Sim環(huán)境下進行功能仿真,確定各個模塊的電路結(jié)構(gòu)。然后根據(jù)實際需要例化各個模塊,通過頂層狀態(tài)機進行資源共享與時序安排,完成非線性模型預(yù)測控制器的設(shè)計。為提高速度,例化多個模塊實現(xiàn)并行化設(shè)計;為減少硬件資源消耗,控制模塊信號實現(xiàn)資源共享。最后為實現(xiàn)非線性模型預(yù)測控制器與輪式移動機器人的數(shù)據(jù)通信,通過Verilog硬件描述語言設(shè)計串口通信模塊,基于FPGA的控制器與通信接口單元的結(jié)構(gòu)為:“接收模塊-非線性模型預(yù)測控制器計算模塊-發(fā)送模塊”。3.為驗證基于FPGA的非線性模型預(yù)測控制器的有效性與實時性,進行輪式移動機器人軌跡跟蹤硬件在環(huán)試驗。首先聯(lián)合d SPACE搭建輪式移動機器人的軌跡跟蹤實時實驗平臺,“d SPACE”模擬實時仿真系統(tǒng),FPGA作為非線性模型預(yù)測控制器的硬件實現(xiàn)平臺,通過串口進行通信并構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。在實時實驗平臺上進行輪式移動機器人軌跡跟蹤實時實驗。并比較Matlab環(huán)境下、高級綜合硬件方案與基于Verilog硬件方案控制器的計算性能,其中,基于Verilog硬件方案中非線性模型預(yù)測控制器的計算時間為0.56 ms,串口通信時間為1.38 ms,輪式移動機器人采樣時間為10 ms,實驗結(jié)果驗證了基于FPGA設(shè)計的非線性模型預(yù)測控制器的實時性與有效性。本文通過Verilog設(shè)計了基于FPGA的非線性模型預(yù)測控制器,從離線控制器的設(shè)計、定點數(shù)據(jù)類型的選擇、各個模塊微架構(gòu)設(shè)計測試及實時實驗都給出了詳細的設(shè)計流程與設(shè)計思路,對基于Verilog設(shè)計控制器具有一定的借鑒意義。設(shè)計中仍需要進一步完善的問題有:(1)非線性模型預(yù)測控制算法及約束粒子群優(yōu)化算法的需要進一步考慮。本文為驗證基于FPGA設(shè)計的硬件非線性模型預(yù)測控制器的有效性,采用的輪式移動機器人為三階系統(tǒng),沒有考慮收斂穩(wěn)定性問題,為應(yīng)用于更加復(fù)雜的非線性快速動態(tài)系統(tǒng),下一步將通過討論終端域,在理論上解決收斂性問題。(2)進行輪式移動機器人實物控制實驗。本實驗通過d SPACE模擬輪式移動機器人數(shù)學模型進行了硬件在環(huán)試驗,下一步將基于實驗室已有的P3 DX Mobile Robot輪式移動機器人實物平臺進行實物控制實驗。
【關(guān)鍵詞】：非線性模型預(yù)測控制 優(yōu)化問題求解 粒子群優(yōu)化算法 FPGA硬件實現(xiàn) 輪式移動機器人軌跡跟蹤控制
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP273
【目錄】：

• 前言4-6
• 摘要6-8
• Abstract8-16
• 第1章 緒緒論16-30
• 1.1 課題背景16-17
• 1.2 非線性模型預(yù)測控制的研究現(xiàn)狀17-21
• 1.2.1 理論算法研究17-20
• 1.2.2 硬件實現(xiàn)研究20-21
• 1.3 FPGA硬件實現(xiàn)優(yōu)勢21-23
• 1.4 基于Verilog的硬件方案23-24
• 1.5 輪式移動機器人的研究現(xiàn)狀24-27
• 1.6 本文的主要研究內(nèi)容27-30
• 第2章 非線性模型預(yù)測控制器設(shè)計30-52
• 2.1 輪式移動機器人軌跡跟蹤控制30-32
• 2.1.1 控制要求30-31
• 2.1.2 模型建立31-32
• 2.2 非線性模型預(yù)測控制器設(shè)計32-36
• 2.2.1 預(yù)測模型33-34
• 2.2.2 約束優(yōu)化問題描述34-36
• 2.3 粒子群優(yōu)化求解算法36-39
• 2.4 算法結(jié)構(gòu)及并行性分析39-46
• 2.5 離線仿真46-49
• 2.6 本章小結(jié)49-52
• 第3章 非線性預(yù)測控制器的FPGA實現(xiàn)52-72
• 3.1 硬件實現(xiàn)方案52-56
• 3.1.1 基于Verilog的FPGA開發(fā)流程52-54
• 3.1.2 控制器電路結(jié)構(gòu)設(shè)計54-56
• 3.2 定點數(shù)據(jù)類型設(shè)計56-57
• 3.3 控制器的模塊設(shè)計57-66
• 3.3.1 PSO并行電路結(jié)構(gòu)設(shè)計57-59
• 3.3.2 目標函數(shù)模塊設(shè)計59-61
• 3.3.3 矩陣運算模塊設(shè)計61-64
• 3.3.4 三角函數(shù)計算模塊設(shè)計64-66
• 3.3.5 隨機數(shù)發(fā)生模塊設(shè)計66
• 3.4 通信接口設(shè)計66-68
• 3.5 綜合布局布線及板級驗證68-71
• 3.6 本章小結(jié)71-72
• 第4章 硬件在環(huán)實驗驗證72-78
• 4.1 實時實驗平臺搭建72-73
• 4.2 實時實驗及結(jié)果分析73-74
• 4.3 性能分析74-77
• 4.4 本章小結(jié)77-78
• 第5章 全全文總結(jié)78-80
• 參考文獻80-87
• 攻讀碩士學位期間的研究成果87-88
• 致謝88

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