基于FPGA的預測控制器加速設計及參數(shù)整定.pdf

1、作為一種能夠明確處理復雜約束的優(yōu)化控制算法，預測控制已經得到很多工業(yè)控制領域的青睞，但它在實際應用中仍存在一些本質的困難。首先，預測控制的滾動優(yōu)化要求實時求解約束優(yōu)化問題，在線計算的復雜性限制了其在嵌入式系統(tǒng)中的應用。近十年來興起的現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)器件雖然以其特有的并行機制和高效的流水線結構為預測控制在線矩陣運算提供了一個很好的實現(xiàn)平臺，但矩陣求逆運算仍需消耗大量的

2、計算時間與硬件資源；其次，在預測控制算法中由于性能指標與控制參數(shù)之間沒有明確的定量關系，使得在參數(shù)設計時仍需要通過大量的仿真實驗來進行選擇和驗證，這對于一般的工控機問題不大，但對于嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)的預測控制器則需要另外與主機搭建聯(lián)合仿真控制平臺來下載控制參數(shù)，這不利于工業(yè)現(xiàn)場的獨立應用，并且對現(xiàn)場調試人員的技術與經驗也提出了很高的要求。
　　本文從上述兩個角度出發(fā)，以FPGA為預測控制的實現(xiàn)平臺，主要研究工作如下：
　　1）基

3、于硬件矩陣求逆的FPGA模型預測控制器的設計與實現(xiàn)。圍繞如何在FPGA上進一步提高預測控制在線計算速度的問題，重點考慮如何利用FPGA資源高效實現(xiàn)矩陣求逆運算。針對預測控制算法中待求逆矩陣的對稱正定特性，采用一種簡易的對稱正定矩陣求逆算法，給出了在FPGA上使用硬件資源高效實現(xiàn)對稱正定矩陣求逆的設計方案，并將其擴展至二次規(guī)劃問題的求解過程中，設計了基于硬件矩陣求逆的FPGA模型預測控制器，使其在線求解速度與用軟件求逆時相比有很大提高。<

4、br>　　2）面向典型工業(yè)對象的FPGA預測控制器參數(shù)設計與研究。針對一類典型工業(yè)對象，根據理論分析得到的預測控制系統(tǒng)定量分析的結論，可以不通過仿真直接設計預測控制參數(shù)。借鑒理論分析結果，在FPGA上設計了針對這類對象的專用預測控制器，完成了模型辨識、控制參數(shù)選擇和在線實時控制等設計。
　　3）基于FPGA的預測控制器的案例研究。將設計的基于硬件矩陣求逆的FPGA模型預測控制器和面向典型工業(yè)對象的FPGA預測控制器分別應用到注塑機