本文關(guān)鍵詞：非線性模型預(yù)測控制器的FPGA全硬件實(shí)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(dāng)前狀態(tài)預(yù)測系統(tǒng)未來動(dòng)態(tài)從而實(shí)現(xiàn)反饋控制的先進(jìn)計(jì)算機(jī)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(biāo)等優(yōu)化問題并具有很好的控制性能等系列優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于小型或冶金、制藥、石油化工等慢動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。由于實(shí)際系統(tǒng)存在固有的約束非線性、工作點(diǎn)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(diǎn)。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(jì)算負(fù)擔(dān)更大,在線計(jì)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(jì)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(shí)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(jì)、流水線設(shè)計(jì)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(yàn)證非線性模型預(yù)測控制器的快速性及有效性,對(duì)輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制進(jìn)行了實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了基于Verilog硬件描述語言設(shè)計(jì)非線性模型預(yù)測控制器的實(shí)時(shí)性與有效性。本文進(jìn)行的工作主要包括以下三個(gè)方面:1.綜合考慮輪式移動(dòng)機(jī)器人快速穩(wěn)定軌跡跟蹤控制要求及執(zhí)行機(jī)構(gòu)約束問題,基于輪式移動(dòng)機(jī)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(yàn)證。為解決求解非線性規(guī)劃時(shí),MATLAB工具箱或商業(yè)求解軟件中庫函數(shù)難以在FPGA上實(shí)現(xiàn)的問題,本文采用算法結(jié)構(gòu)簡單、具有并行計(jì)算機(jī)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(dòng)機(jī)器人數(shù)學(xué)模型,根據(jù)控制要求,設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)器人”閉環(huán)系統(tǒng),并完成輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn),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(yàn)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(jì)算能力,通過Verilog硬件描述語言設(shè)計(jì)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(jì)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(yùn)算速度,通過算法分析,設(shè)計(jì)各功能模塊的電路結(jié)構(gòu)及定點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),各個(gè)模塊根據(jù)實(shí)際精度選擇不同的電路結(jié)構(gòu)及定點(diǎn)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(jì)目標(biāo)函數(shù)模塊、矩陣運(yùn)算模塊、隨機(jī)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(diǎn)數(shù)據(jù)類型,在Model Sim環(huán)境下進(jìn)行功能仿真,確定各個(gè)模塊的電路結(jié)構(gòu)。然后根據(jù)實(shí)際需要例化各個(gè)模塊,通過頂層狀態(tài)機(jī)進(jìn)行資源共享與時(shí)序安排,完成非線性模型預(yù)測控制器的設(shè)計(jì)。為提高速度,例化多個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)并行化設(shè)計(jì);為減少硬件資源消耗,控制模塊信號(hào)實(shí)現(xiàn)資源共享。最后為實(shí)現(xiàn)非線性模型預(yù)測控制器與輪式移動(dòng)機(jī)器人的數(shù)據(jù)通信,通過Verilog硬件描述語言設(shè)計(jì)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(jì)算模塊-發(fā)送模塊”。3.為驗(yàn)證基于FPGA的非線性模型預(yù)測控制器的有效性與實(shí)時(shí)性,進(jìn)行輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤硬件在環(huán)試驗(yàn)。首先聯(lián)合d SPACE搭建輪式移動(dòng)機(jī)器人的軌跡跟蹤實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),“d SPACE”模擬實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng),FPGA作為非線性模型預(yù)測控制器的硬件實(shí)現(xiàn)平臺(tái),通過串口進(jìn)行通信并構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。在實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)。并比較Matlab環(huán)境下、高級(jí)綜合硬件方案與基于Verilog硬件方案控制器的計(jì)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(jì)算時(shí)間為0.56 ms,串口通信時(shí)間為1.38 ms,輪式移動(dòng)機(jī)器人采樣時(shí)間為10 ms,實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了基于FPGA設(shè)計(jì)的非線性模型預(yù)測控制器的實(shí)時(shí)性與有效性。本文通過Verilog設(shè)計(jì)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(jì)、定點(diǎn)數(shù)據(jù)類型的選擇、各個(gè)模塊微架構(gòu)設(shè)計(jì)測試及實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)都給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)流程與設(shè)計(jì)思路,對(duì)基于Verilog設(shè)計(jì)控制器具有一定的借鑒意義。設(shè)計(jì)中仍需要進(jìn)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(jìn)一步考慮。本文為驗(yàn)證基于FPGA設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)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(dòng)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(jìn)行輪式移動(dòng)機(jī)器人實(shí)物控制實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)通過d SPACE模擬輪式移動(dòng)機(jī)器人數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了硬件在環(huán)試驗(yàn),下一步將基于實(shí)驗(yàn)室已有的P3 DX Mobile Robot輪式移動(dòng)機(jī)器人實(shí)物平臺(tái)進(jìn)行實(shí)物控制實(shí)驗(yàn)。
【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(shí)現(xiàn) 輪式移動(dòng)機(jī)器人軌跡跟蹤控制
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：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(shí)現(xiàn)研究20-21
• 1.3 FPGA硬件實(shí)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(dòng)機(jī)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(jì)30-52
• 2.1 輪式移動(dòng)機(jī)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(jì)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(shí)現(xiàn)52-72
• 3.1 硬件實(shí)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(jì)54-56
• 3.2 定點(diǎn)數(shù)據(jù)類型設(shè)計(jì)56-57
• 3.3 控制器的模塊設(shè)計(jì)57-66
• 3.3.1 PSO并行電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)57-59
• 3.3.2 目標(biāo)函數(shù)模塊設(shè)計(jì)59-61
• 3.3.3 矩陣運(yùn)算模塊設(shè)計(jì)61-64
• 3.3.4 三角函數(shù)計(jì)算模塊設(shè)計(jì)64-66
• 3.3.5 隨機(jī)數(shù)發(fā)生模塊設(shè)計(jì)66
• 3.4 通信接口設(shè)計(jì)66-68
• 3.5 綜合布局布線及板級(jí)驗(yàn)證68-71
• 3.6 本章小結(jié)71-72
• 第4章 硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證72-78
• 4.1 實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建72-73
• 4.2 實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)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(xiàn)80-87
• 攻讀碩士學(xué)位期間的研究成果87-88
• 致謝88

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 杜憲;郭迎清;;民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)測控制器設(shè)計(jì)[J];航空發(fā)動(dòng)機(jī);2013年03期

2 王蕾，王建奇，王行愚;一種基于新型的非參數(shù)模型的廣義預(yù)測控制器[J];自動(dòng)化學(xué)報(bào);1995年05期

3 吳國華，席裕庚，張鐘俊;基于階梯化脈沖響應(yīng)模型的魯棒預(yù)測控制器[J];上海交通大學(xué)學(xué)報(bào);1996年02期

4 林萬昌,任軍,黎明,田海山;抗非平穩(wěn)干擾的廣義預(yù)測控制器[J];西南石油學(xué)院學(xué)報(bào);1996年04期

5 丁元欣,鮑立威;新型輸入加權(quán)預(yù)測控制器[J];控制與決策;2001年06期

6 李少遠(yuǎn),席裕庚;基于模糊約束模擬的廣義預(yù)測控制器參數(shù)調(diào)整[J];上海交通大學(xué)學(xué)報(bào);2001年11期

7 陳增強(qiáng),孫青林,林惠雪,袁著祉;一種新型的快速無超調(diào)預(yù)測控制器及其應(yīng)用[J];工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置;2002年04期

8 李德偉;席裕庚;;一種基于衰減集結(jié)的魯棒預(yù)測控制器[J];自動(dòng)化學(xué)報(bào);2008年01期

9 楊春節(jié);造紙機(jī)廣義預(yù)測控制器設(shè)計(jì)與實(shí)施[J];中國造紙學(xué)報(bào);2001年01期

10 雎剛;基于李亞譜諾夫穩(wěn)定性的預(yù)測控制器設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究[J];中國電機(jī)工程學(xué)報(bào);2002年08期

中國重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 劉榮成;戴文戰(zhàn);;一種基于殘差模型的自調(diào)整灰色模糊預(yù)測控制器的設(shè)計(jì)[A];第二十七屆中國控制會(huì)議論文集[C];2008年

2 曾杰;梁年生;劉育騏;郭創(chuàng)新;;神經(jīng)靈敏度預(yù)測控制器及其應(yīng)用[A];1996年中國智能自動(dòng)化學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（上冊(cè)）[C];1996年

3 張強(qiáng);李少遠(yuǎn);;廣義預(yù)測控制器的性能評(píng)價(jià)與性能改進(jìn)[A];第二十三屆中國控制會(huì)議論文集（上冊(cè)）[C];2004年

4 陳功泉;田學(xué)民;;一種基于對(duì)應(yīng)分析的模型預(yù)測控制器性能評(píng)價(jià)與診斷方法研究[A];PCC2009—第20屆中國過程控制會(huì)議論文集[C];2009年

5 林茂瓊;陳增強(qiáng);袁著祉;;基于阻尼最小二乘法的魯棒自校正預(yù)測控制器[A];1998年中國控制會(huì)議論文集[C];1998年

6 李德偉;席裕庚;;有界擾動(dòng)系統(tǒng)基于集結(jié)的魯棒預(yù)測控制器設(shè)計(jì)[A];第二十六屆中國控制會(huì)議論文集[C];2007年

7 孫明瑋;陳增強(qiáng);袁著祉;;輸入加權(quán)預(yù)測控制器在直流無刷電機(jī)中的應(yīng)用[A];1996年中國控制會(huì)議論文集[C];1996年

8 趙天航;陳增強(qiáng);袁著祉;;兩輸入兩輸出PI型廣義預(yù)測控制器[A];1997年中國控制會(huì)議論文集[C];1997年

9 賀艷花;李平;張紹東;;基于CARIMA模型的魯棒預(yù)測控制器的設(shè)計(jì)[A];2006中國控制與決策學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];2006年

10 曾杰;郭創(chuàng)新;劉育騏;梁年生;;記憶遞歸網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制器及其在水壓頻率綜合調(diào)節(jié)中的研究[A];1996中國控制與決策學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C];1996年

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前5條

1 楊青;非線性預(yù)測控制器設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[D];中國石油大學(xué);2007年

2 呂燕;基于動(dòng)態(tài)PLS方法的建模及預(yù)測控制器設(shè)計(jì)[D];浙江大學(xué);2013年

3 王夢靈;基于I/O數(shù)據(jù)的空間分布系統(tǒng)建模與預(yù)測控制器設(shè)計(jì)[D];上海交通大學(xué);2011年

4 黃鶴;混合H_2/H_∞指標(biāo)魯棒模型預(yù)測控制器的設(shè)計(jì)[D];上海交通大學(xué);2011年

5 薛斌強(qiáng);基于滾動(dòng)時(shí)域優(yōu)化策略的網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)與控制器設(shè)計(jì)[D];上海交通大學(xué);2013年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 王育銀;磁懸浮系統(tǒng)的隱式廣義預(yù)測控制器設(shè)計(jì)[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年

2 王東東;遞推辨識(shí)算法研究及其在MPC上的應(yīng)用[D];浙江大學(xué);2016年

3 季冬冬;非線性模型預(yù)測控制器的FPGA全硬件實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用[D];吉林大學(xué);2016年

4 姜舒;具有性能保證的集結(jié)預(yù)測控制器分析與設(shè)計(jì)[D];上海交通大學(xué);2009年

5 應(yīng)惟偉;集結(jié)預(yù)測控制器設(shè)計(jì)與分析[D];上海交通大學(xué);2008年

6 李婧靚;具有輸入增量約束的魯棒預(yù)測控制器及其應(yīng)用[D];上海交通大學(xué);2010年

7 蔣聞;預(yù)測控制器設(shè)定值柔化因子的在線調(diào)整[D];上海交通大學(xué);2009年

8 雷文龍;板—球系統(tǒng)模型預(yù)測控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D];河南科技大學(xué);2013年

9 陳功泉;多變量模型預(yù)測控制器性能監(jiān)控方法研究[D];中國石油大學(xué);2009年

10 張光明;數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的預(yù)測控制器性能監(jiān)控[D];上海交通大學(xué);2012年

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

本文編號(hào)：265790