【摘要】：目前在工程實(shí)踐中,系統(tǒng)往往具備多分辨率特性,如信號存在高頻噪聲,系統(tǒng)輸入輸出量存在多采樣頻率等問題,故使用傳統(tǒng)時(shí)域方法對其進(jìn)行控制往往有所局限性。而信號分析領(lǐng)域的小波變換具有良好的時(shí)頻特性和多分辨率特性,而控制理論在一定程度就是一種信號分析過程,故小波變換能更好地應(yīng)用到系統(tǒng)分析和系統(tǒng)控制上;而且在快速控制領(lǐng)域,要求控制算法有快速性,對比快速傅里葉變換的O(nlog2n)的計(jì)算復(fù)雜度,快速小波變換的計(jì)算復(fù)雜度最小可以達(dá)到O(n)。而且通過對系統(tǒng)小波多分辨率分解,能有效的將信號進(jìn)行信噪分離,從而達(dá)到濾波控制效果。因此本文的主要研究內(nèi)容是將小波多分辨率分析應(yīng)用到傳統(tǒng)時(shí)域控制中,以提高控制算法的去噪能力和抗干擾能力、降低其計(jì)算復(fù)雜度。本文主要將小波多分辨率分析分別應(yīng)用到單輸入單輸出系統(tǒng)和多輸入多輸出系統(tǒng)中,根據(jù)單入單出系統(tǒng)下經(jīng)典PID控制算法和多入多出系統(tǒng)下的模型預(yù)測控制算法結(jié)構(gòu),分別設(shè)計(jì)了多分辨率PID控制器和多尺度模型預(yù)測控制器,為了滿足實(shí)際系統(tǒng)對控制器的小型化,高實(shí)時(shí)性等要求,本文利用FPGA完成多分辨率PID控制算法的硬件控制器的設(shè)計(jì),最后通過電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤實(shí)物控制驗(yàn)證了控制算法的有效性和實(shí)時(shí)性。具體地說,本文進(jìn)行的工作主要包括以下幾個(gè)方面:1.首先將小波多分辨率分析應(yīng)用到單輸入單輸出控制系統(tǒng),按照單輸出單輸出控制系統(tǒng)中最為經(jīng)典的PID控制算法結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)多分辨率PID控制算法。其通過將輸入的偏差信號進(jìn)行多分辨率分解,從而有效的將信號進(jìn)行信噪分離,然后通過對原始信號不同分辨率的組成成分進(jìn)行加權(quán),從而達(dá)到濾波控制效果。針對多分辨率PID控制器設(shè)計(jì)過程中需要考慮的因素,本文進(jìn)行了詳細(xì)的分析說明,并最終完成控制器的設(shè)計(jì)。為了驗(yàn)證控制器的有效性,本文將設(shè)計(jì)的控制器應(yīng)用到對外界噪聲較為敏感的直流有刷電機(jī)的低速控制中。通過MATLAB離線仿真控制,驗(yàn)證了多分辨率PID控制器相對傳統(tǒng)PID控制器擁有更好的去噪控制效果。2.針對多輸入多輸出系統(tǒng)的控制,本文利用經(jīng)典模型預(yù)測控制算法,將小波分辨率分析應(yīng)用其中。首先通過離散小波變換建立系統(tǒng)的多尺度模型,其相對于傳統(tǒng)時(shí)域模型,多了一個(gè)尺度(頻率)信息,并借助二叉樹結(jié)構(gòu),分析了多尺度模型的并行特性。然后按照傳統(tǒng)時(shí)域預(yù)測控制算法的結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)出基于時(shí)域系統(tǒng)的預(yù)測模型、目標(biāo)函數(shù)和優(yōu)化問題的多尺度表示形式,利用多尺度系數(shù)的二叉樹結(jié)構(gòu)特性,給出多尺度預(yù)測控制的尺度計(jì)算方法,從而可以改變多尺度預(yù)測控制的時(shí)域長度,有效降低了算法的計(jì)算復(fù)雜度。為了驗(yàn)證控制算法的有效性,通過MATLAB仿真,表明了相對于傳統(tǒng)MPC控制算法,多尺度MPC控制算法擁有更小的計(jì)算量,而且由于其包含的信息多,控制器的設(shè)計(jì)也會(huì)更加靈活。3.針對FPGA的并行結(jié)構(gòu)和快速運(yùn)行特性,本文以多分辨率PID控制算法為例,詳細(xì)說明了基于FPGA的控制算法加速實(shí)現(xiàn)的步驟。首先分析了多分辨率PID控制算法中的并行結(jié)構(gòu),然后將多分辨率PID控制算法進(jìn)行C/C++代碼化,通過對代碼進(jìn)行定點(diǎn)化后,利用Xilinx公司推出的高級綜合工具Vivado HLS將控制算法C/C++代碼轉(zhuǎn)換為硬件語言以完成控制器的FPGA實(shí)現(xiàn)。為了驗(yàn)證基于FPGA設(shè)計(jì)的硬件多分辨率PID控制器的有效性和快速性,本文利用Model Sim對硬件代碼進(jìn)行仿真,通過仿真結(jié)果,可知多分辨率PID控制算法一次運(yùn)行時(shí)間僅需0.015ms,從而驗(yàn)證了控制具有很快的運(yùn)算速度;最后本文將硬件控制器應(yīng)用到電機(jī)轉(zhuǎn)速跟蹤實(shí)物控制上,通過搭建合適的接口電路,最終完成了電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制,并與傳統(tǒng)PID控制器做實(shí)物控制實(shí)驗(yàn)對比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了控制器的具有很好的性能。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP273

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2581856