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基于FPGA的模糊PID控制器的设计

作　者: 苏世轩
导　师: 肖军
学　校: 东北大学
专　业: 电工理论与新技术
关键词: FPGA VHDL PID 模糊PID控制器闭环控制系统
分类号: TP273.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 162次
引　用: 1次
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内容摘要

在控制理论飞速发展的今天,PID控制由于具有控制方法简单、易于实现和现场可调试等优点,在工业控制中被广泛的应用。在实际过程中,被控过程大多具有非线性、时变性和不确定性等特点,常规PID控制难以满足控制的要求。模糊控制模拟人脑的思维方式,能处理客观世界的非精确、非线性的信息,具有很强的抗干扰能力。将模糊控制技术和PID控制技术结合起来,为现代工业控制问题提供了新的解决方案。FPGA具有集成度高,开发周期短,可重用性强等特点,基于FPGA的模糊PID控制器有着良好的实用价值和乐观的应用前景。本文主要研究基于FPGA的模糊PID控制器的设计,探讨了两种设计的方法：(1)快速查表法：此方法通过离线计算出模糊控制表,然后在FPGA上编程实现控制器的设计。(2)在线推理法：整个模糊推理过程在QuartusⅡ软件平台上直接编程实现。根据模糊PID控制器的基本结构,设计可分为三大部分：模糊化部分、模糊推理部分和反模糊化部分。模糊化部分,通过多分支选择判断结构求出输入变量的值对应的隶属度和语言变量；模糊推理部分外部采用循环结构,内部采用多分支判断选择结构求出输出语言变量对应的隶属度,同时使用Max-Min推理运算得到输出控制量的模糊量；反模糊化部分设置了两种反模糊化的方法,用户可根据需要自行选择。本设计采用了自顶向下的设计方法,运用VHDL语言进行设计,先利用QuartusⅡ进行仿真和验证,仿真结果与模糊控制表的结果基本一致,再使用Simulink建立闭环控制系统,对常规PID控制和模糊PID控制的仿真结果进行比较,证明了其有效性。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-16
  1.1 课题的研究背景  10-12
  1.2 PID算法的研究现状  12-14
    1.2.1 常规PID算法研究现状  12-13
    1.2.2 模糊PID算法研究现状  13-14
  1.3 论文研究内容及组织结构  14-16
第2章模糊PID控制器的设计  16-28
  2.1 模糊PID控制原理  16-17
  2.2 模糊PID控制器的设计  17-23
    2.2.1 快速查表法  17-22
    2.2.2 在线推理法  22-23
  2.3 用Matlab工具进行设计和仿真  23-27
    2.3.1 模糊集及隶属度函数  23-26
    2.3.2 模糊控制规则  26
    2.3.3 仿真及测试  26-27
  2.4 本章小结  27-28
第3章 FPGA技术概述  28-36
  3.1 FPGA简介  28-29
  3.2 FPGA的芯片结构  29-32
  3.3 FPGA的发展趋势  32
  3.4 FPGA的开发流程  32-34
  3.5 FPGA与CPLD及ASIC的比较  34-35
  3.6 本章小结  35-36
第4章基于FPGA的模糊PID控制器设计  36-60
  4.1 VHDL的程序结构  36-38
  4.2 开发设计平台QuartusⅡ  38
  4.3 同步设计与异步设计  38-39
  4.4 基于FPGA的模糊PID控制器的设计  39-58
    4.4.1 基于FPGA的快速查表法设计  39-42
    4.4.2 基于FPGA的在线推理法设计  42-58
  4.5 本章小结  58-60
第5章模糊PID控制器的仿真与测试  60-66
  5.1 快速查表法仿真与测试  60-61
  5.2 在线推理法仿真与测试  61-62
  5.3 Simulink仿真与测试  62-64
  5.4 本章小结  64-66
第6章结论与展望  66-68
参考文献  68-72
致谢  72

基于FPGA的模糊PID控制器的设计

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