基于fpga的模糊控制器的設(shè)計(已修改)
2025-06-30 16:32 本頁面
【正文】 現(xiàn)場可編程門陣列FPGA是近年來發(fā)展迅速的大規(guī)模可編程邏輯器件，它具有設(shè)計周期短，片內(nèi)資源豐富，可無限次加載和現(xiàn)場可編程等特點。在FPGA上實現(xiàn)模糊控制器是一種介于專用集成電路(ASIC )和通用處理器之間的方案，具有電子產(chǎn)品的高速度、高可靠性、小型化、集成化、低功耗、保密性能好、具有自主知識產(chǎn)權(quán)、產(chǎn)品上市快等優(yōu)勢。模糊控制器不需要控制對象的精確數(shù)學(xué)模型，是一種基于規(guī)則的控制，依據(jù)操作人員的控制經(jīng)驗和專家的知識，通過查表得到控制量。因此，模糊控制器具有響應(yīng)快，超調(diào)量小，魯棒性強等特點。它能夠克服系統(tǒng)中模型參數(shù)變化和非線性等不確定因素，在大滯后、非線性系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA在數(shù)字邏輯系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用，采用硬件描述語言的硬件電路設(shè)計方法得到了廣泛應(yīng)用。本文利用VHDL硬件描述語言在FPGA芯片上設(shè)計一種簡化的模糊控制器。一模糊控制器的結(jié)構(gòu)及其FPGA實現(xiàn)流程輸出數(shù)據(jù)庫規(guī)則庫模糊化接口推理機解模糊接口圖1 模糊控制器的組成框圖給定值模糊量化處理模糊控制規(guī)則模糊決策非模糊化處理傳感器被控對象執(zhí)行機構(gòu)ked/dtkcku圖2 模糊控制器機構(gòu)圖由于一維模糊控制器的動態(tài)性能不能令人滿意，三維及三維以上的模糊控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建立模糊控制規(guī)則比較困難，因此一般采用雙輸入單輸出的二維模糊控制器。典型的兩輸人單輸出模糊控制器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由知識庫、模糊化、模糊推理和逆模糊化4部分構(gòu)成。知識庫向模糊化模塊提供模糊量的隸屬函數(shù)形態(tài)，使模糊化模塊在接收到外部的精確量輸人之后，能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)換成相對應(yīng)時模糊量及隸屬度。同時，知識庫向模糊推理模塊提供控制規(guī)則，由模糊推理模塊執(zhí)行推理過程，由輸人的模糊量推出輸出的模糊量。知識庫也向反模糊化模塊提供模糊量的隸屬函數(shù)形態(tài)，反模糊化接口則將輸出的模糊量及隸屬度轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的精確量。論域和模糊狀態(tài)應(yīng)根據(jù)問題的實際情況而定，現(xiàn)在假設(shè)e，ec和u的模糊子集均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，模糊論域均為[4，3，2，1，0，1，2，3，4]，設(shè)e的基本論域為[2，2]，ec的基本論域為[1，1]，u的基本論域為[5，5]。則ke＝2，kc＝4，ku＝1。25。模糊控制器的FPGA設(shè)計流程如圖3所示模糊控制器功能定義模糊控制器算法設(shè)計確定總體結(jié)構(gòu)劃分功能模塊對個功能模塊進行vhdl語言描述綜合，仿真Fpga配置下載硬件測試圖3 模糊控制器的fpga實現(xiàn)流程圖㈡模糊化模塊模糊化過程需要用到隸屬函數(shù)，隸屬函數(shù)是模糊控制中的關(guān)鍵問題。隸屬函數(shù)大多依賴經(jīng)驗或處理方便而選取。選取時至少要遵循3條原則:表示隸屬函數(shù)的模糊集合必須是凸模糊集合。變量所取隸屬函數(shù)是對稱和平衡的。隸屬函數(shù)要遵從語意順序和避免不恰當(dāng)?shù)闹丿B。因此，此文確定的E和C的隸屬函數(shù)形狀如圖4所示圖4 E和EC的隸屬函數(shù)形狀將上述隸屬函數(shù)存在2個RAM表中，則在模糊化處理時可進行并行處理，處理方便，且速度提高一倍。表示方法如圖4所示。圖5 隸屬函數(shù)的存儲方式在圖4中 ，三角形是等腰三角形，梯形的下底是上底的2倍?？梢娪傻走厡挾群偷走呏悬c就可以確定隸屬函數(shù)的所有信息。分別用一個字節(jié)表示每個語言變量的底邊寬度(實際寬度的一半)，用3個位(bit)表示底邊中點位置。這樣，全部信息只需要8個字節(jié)，以及8個3位就可以表示了:底邊寬度表示為:width0,widthl,……………,width7底邊中點表示為:center0,centerl,……………,center7這部分信息存于一個奇數(shù)表和一個偶數(shù)表中，分別表示標(biāo)號為奇數(shù)和偶數(shù)的底邊寬度和底邊中點信息。模糊化模塊的功能主要包括2部分:把輸人的精確量進行尺度變換，變換到相應(yīng)的論域范圍。將己變換到論域范圍的輸入量進行模糊化處理，主要是計算各個輸人量的隸屬度。為了簡化處理，將輸人值進行均勻量化。由于A/D轉(zhuǎn)換
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