【正文】 .............................................................................. 27 A/D 轉(zhuǎn)換模塊： ................................................................................................ 28 D/A 轉(zhuǎn)換模塊： ................................................................................................ 30 第 5 章 預(yù)測控制器設(shè)計方案 ....................................................................................... 32 Nios II 處理器內(nèi)核 .......................................................................................... 33 JTAG UART IP 核 ............................................................................................ 35 timer IP 核 .......................................................................................................... 35 UART IP 核 ....................................................................................................... 36 SPIIP 核 ............................................................................................................. 36 avalonM M Tristate 總線橋 IP 核 .................................................................... 37 UART 串口通信 ..................................................................................... 39 系統(tǒng)集成及調(diào)試 ............................................................................................... 40 第 6 章 總結(jié) .................................................................................................................. 42 VI 參考文獻 ......................................................................................................................... 43 致 謝 ............................................................................................................................... 45 1 第 1 章 緒論 預(yù)測控制又稱為模型預(yù)測控制，它是 70 年代后期在工業(yè)過程控制領(lǐng)域中產(chǎn)生的一類新型計算機控制算法。它的問世，一方面是受到了計算機技術(shù)發(fā)展的推動，另一方面也來自復(fù)雜工業(yè)控制實 踐向高層優(yōu)化控制提出的挑戰(zhàn)。由于它采用多步預(yù)測，滾動優(yōu)化和反饋校正等控制策略，因而控制效果好，魯棒性強，適用于對不易建立精確數(shù)學(xué)模型且比較復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)過程進行控制，因此它一出現(xiàn)就受到國內(nèi)外工程界和控制界的重視，在現(xiàn)代工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，模型預(yù)測控制的應(yīng)用逐漸跨越工業(yè)控制，而延伸到航空、機電、網(wǎng)絡(luò)、交通等眾多領(lǐng)域。 研究現(xiàn)狀概述 北京時間 20xx 年 12 月 30 日消息，美英兩國科學(xué)家聯(lián)合開發(fā)了一款運算速度超快的電腦芯片 ，使當前臺式機的運算能力提升 20 倍。 當前的個人電腦使用雙核、 4 核、 16 核處理器來執(zhí)行各項任務(wù)。如今，美英研究人員開發(fā)的中央處理器 (CPU)將 1000 個內(nèi)核有效集成于一個芯片上。這項突破或?qū)⒃诮窈髱啄觊_啟一個超高速運算的新時代，使家庭用戶不再對運行緩慢的電腦系統(tǒng)感到沮喪。雖然速度更快，但由于新型 “ 超級 ” 電腦的能耗遠低于當前電腦，所以更加環(huán)保。 研究人員采用了一種名為 “ 現(xiàn)場可編程門陣列 ”( 以下簡稱 “FPGA”) 的芯片，使得微晶片就像都含有數(shù)百萬個晶體管一樣，而晶體管則是任何電路的基本組成部分。不過， FPGA 芯片可由用戶安裝到特定電路，它們的功能不是在出廠時 2 就設(shè)定好的。這樣一 來，用戶可以將晶體管劃分成一個個 “ 小群體 ” ，要求每個“ 小群體 ” 完成不同的任務(wù)。 通過在 FPGA芯片內(nèi)創(chuàng)建逾 1000個微電路，研究人員便將這個芯片變成了 1000個內(nèi)核的處理器 —— 每個內(nèi)核都可以遵照自己的指令工作。在測試中， FPGA 芯片每秒能處理 5GB 的數(shù)據(jù)，處理速度大概相當于當前臺式機的 20 倍。這項研究由英國格拉斯哥大學(xué)的韋姆 范德堡韋德 (Wim Vander Bau Whe De)博士和美國馬薩諸塞大學(xué)盧維爾分校的同行共同實施。 范德堡韋德說： “FPGA 芯片沒有應(yīng)用于標準電腦上，原因是對 FPGA 芯片編程相當困難。 FPGA 芯片的處理能力強大，由于速度更快，能耗相當?shù)?，是我們更為環(huán)保的選擇。 ” 雖然當前市場上銷售的電腦大多數(shù)內(nèi)核超過一個，可以同時實施不同任務(wù)，但傳統(tǒng)多核處理器只能共用一個存儲源，這降低了運算速度。范德堡韋德的研究團隊給每個內(nèi)核分配一定量的專用存儲空間，從而加快了處理器的運算速度。 一名用戶坐在運算速度很慢的臺式機前面，看上去一籌莫展。在測試中， FPGA芯片每秒能處理 5GB 的數(shù)據(jù)，處理速度大概相當于當前臺式機的 20 倍 范德堡韋德博士說： “ 這只是初期概念驗證研究，我們試圖展示對 FPGA 編程的便捷 方式，令其超高速處理的潛力可以更為廣泛地應(yīng)用于未來的運算器和電子設(shè)備上。雖然現(xiàn)有許多技術(shù)充分使用 FPGA 芯片，如等離子電視、液晶電視和電腦網(wǎng)絡(luò)路由器，但它們在標準臺式機上的應(yīng)用卻十分有限。 ” “ 但是，我們看到，包括英特爾和 ARM 在內(nèi)的一些廠商已經(jīng)宣布將開發(fā)集成傳統(tǒng) CPU 與 FPGA 芯片的微晶片。我認為此類處理器會得到更廣泛的應(yīng)用，有助于 3 在今后幾年進一步提升電腦運算速度。 ” 范德堡韋德希望在 20xx 年 3 月應(yīng)用重構(gòu)運算國際研討會上詳細介紹他的研究發(fā)現(xiàn)。 預(yù)測控制的發(fā)展和應(yīng)用 以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)的現(xiàn)代控制理 論自創(chuàng)立以來，已得到了迅速發(fā)展，特別是在航天、航空領(lǐng)域取得了令人矚目的成就，并且對自動控制技術(shù)的發(fā)展起到了積極的推動作用。但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步和工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，對大型、復(fù)雜和不確定性系統(tǒng)實行自動控制的要求不斷提高，使得現(xiàn)代控制理論的局限性日益明顯。 主要反映在以下幾個方面： （ 1）現(xiàn)代控制理論過份依賴于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，而在現(xiàn)實工業(yè)過程中，往往很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，即使一些被控對象能夠建立起數(shù)學(xué)模型，但因其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜而難于設(shè)計和實現(xiàn)有效的控制； （ 2）傳統(tǒng)的最優(yōu)控制通過全局優(yōu)化以實現(xiàn)反饋控 制的計算，但是在工業(yè)現(xiàn)場中可能存在上千個控制變量，這樣導(dǎo)致最優(yōu)控制的計算規(guī)模很大，以至于無法實現(xiàn)； （ 3）工業(yè)實踐中往往具有很多干擾因素，很難得出確定性模型； （ 4）工業(yè)中往往需要實時控制，有時并不需要全局的優(yōu)化控制，需要當前局部的控制決策。因此，很多學(xué)者開始打破傳統(tǒng)控制思想和體系框架的束縛，試圖面向工業(yè)過程的具體特點，尋找對模型要求低、在線計算方便、綜合效果好的控制算法。正是在這種背景下， Richalet 等人于 20 世紀 70 年代末提出了預(yù)測控制。 4 預(yù)測控制正是在工業(yè)實踐過程中逐步發(fā)展起來的一種新型 的計算機控制算法。它利用過去和現(xiàn)在的輸入輸出狀態(tài)，根據(jù)內(nèi)部模型，預(yù)測系統(tǒng)未來的輸出狀態(tài)，具有模型預(yù)測、滾動優(yōu)化、反饋校正等特點，其突出優(yōu)勢在于：由于采用了有限優(yōu)化窗口，使得優(yōu)化計算量大大減??；同時采用滾動策略，在局部優(yōu)化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了全局的優(yōu)化；利用反饋校正，解決了系統(tǒng)干擾等不確定問題。 正是由于預(yù)測控制具有上述的特點及優(yōu)勢，使其特別適用于控制無法建立精確數(shù)字模型的復(fù)雜的現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程，所以它一出現(xiàn)就受到國內(nèi)外工程界的重視，并在復(fù)雜工業(yè)過程中得到成功應(yīng)用，顯示出強大的生命力，它的應(yīng)用領(lǐng)域也已擴展到諸如化工 、石油、電力、冶金、機械、國防、輕工等各工業(yè)部門。預(yù)測控制已成為在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的主要先進控制策略，給企業(yè)帶來巨大的效益。作為先進控制和過程控制的典型代表，它的出現(xiàn)對復(fù)雜工業(yè)過程控制產(chǎn)生了深刻影響，是一類很有發(fā)展前途的新型計算機控制算法。 預(yù)測控制在新應(yīng)用中面臨的問題 近年來，一些非工業(yè)過程領(lǐng)域，如航空、航海、汽車電子控制等對控制算法的要求越來越高，一些先進的控制算法逐漸得到應(yīng)用。由于預(yù)測控制具有在不確定環(huán)境下進行優(yōu)化控制的共性機理，使其應(yīng)用也逐漸跨越工業(yè)過程，延伸到航空、機電、環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)、交通等眾 多領(lǐng)域，已成功應(yīng)用于航海、航空、道路運輸以及一些微型設(shè)備中。新的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)刂破魈岢隽诵碌囊?，如高實時性、微型化、高可靠性和低成本等。這也是預(yù)測控制在新應(yīng)用中面臨的迫切問題。 目前預(yù)測控制主要面臨的一大挑戰(zhàn)是其復(fù)雜的優(yōu)化運算使其無法滿足高實時性要求。由于預(yù)測控制的優(yōu)化過程是在有限的采樣時間間隔內(nèi)反復(fù)在線計算求解 5 優(yōu)化問題，這就需要準確快速的優(yōu)化算法，在每個時間間隔內(nèi)快速準確地求出最優(yōu)解。因此，如何在有限的采樣間隔內(nèi)快速找到最優(yōu)解，是預(yù)測控制算法最困難的環(huán)節(jié)。特別是在快速系統(tǒng)中，由于預(yù)測算法優(yōu)化過程中有多維搜 索的復(fù)雜性，使整個算法的快速性受到限制。 傳統(tǒng)的基于工控機的預(yù)測控制算法實現(xiàn)方案顯然無法滿足高實時性、微型化、高可靠性和低成本的要求。因此，為滿足新的應(yīng)用領(lǐng)域的要求，需要尋求新的方法加快預(yù)測控制算法的在線求解速度，提高其控制器的實時性。 FPGA 實現(xiàn)預(yù)測控制器的優(yōu)勢 作為專用集成電路領(lǐng)域中的一種新型的半定制電路， FPGA 的出現(xiàn)，既解決了專用定制電路（ ASIC）的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限、無法實現(xiàn)復(fù)雜功能的缺點。最近十年， FPGA 已被成功應(yīng)用于很多領(lǐng)域，如通信、數(shù)據(jù)處理、儀器、工 業(yè)控制、軍事和航空航天等。對于基于 FPGA 硬件實現(xiàn)預(yù)測控制器，可以采用兩種方案：一是整個預(yù)測控制器都由 FPGA 芯片實現(xiàn)，編寫實現(xiàn)預(yù)測控制算法的 HDL 代碼。這種方法的優(yōu)點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡單，運算速度快，實時性高。然而由于采用 FPGA 芯片實現(xiàn)控制器的所有功能，開發(fā)周期長，開發(fā)的難度大。二是基于 Nios II 軟核處理器的 SOPC 方案，這種方案中， FPGA 中嵌入了一個軟核處理器 —— Nios II 嵌入式處理器。此方案利用 Nios II 處理器來實現(xiàn) MPC 算法，整個算法的 C/C++程序 運行在 Nios II 處理器上。 Nios II 處理器是可定制的，并且可以通過自定制指令和硬件加速器來提高算法的運算速度，提升系統(tǒng)性能。這種方案實現(xiàn)的系統(tǒng)具有很高的性能，而且開發(fā)周期短，開發(fā)難度相對較小。這是本文采用的方案。 6 利用 FPGA 實現(xiàn)預(yù)測控制器可以解決以下一些問題： 1) 高性能及高實時性：由于 FPGA 芯片內(nèi)部是通過上百萬門邏輯單元完成硬件實現(xiàn)，并且具有很強的并行處理能力，它的運算速度比基于傳統(tǒng)的單片機和其他通用的嵌入式處理器的軟件實現(xiàn)方案要快，具有很高的性能。因此，采用 FPGA 芯片實 現(xiàn) MPC 算法，就能使其在線求解速度得到提高，提高其控制器的實時性。 2) 高集成性及控制器微型化： FPGA 芯片采用芯片級封裝（ CSP），其芯片的體積已經(jīng)縮小到 mm 級。而采用 SOPC（ System On Programmable Chip， SOPC）技術(shù)，可以在一片 FPGA 芯片上實現(xiàn)整個預(yù)測控制器，從而使預(yù)測控制器的體積大大縮小，可以實現(xiàn)控制器的微型化，這樣會使控制器的可植入性得到很大提高。 3) 高可靠性及低成本： FPGA 芯片在出廠之前都做過 100%的嚴格測試，不需要設(shè)計人員承擔(dān)投片風(fēng)險的 費用。而且 FPGA 在軍事及航空航天領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用證實了其高可靠性。同時，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展， FPGA 的成本一直在不斷降低，完全可以滿足系統(tǒng)對低成本的要求。 4) 高靈活性