基于FPGA的預(yù)測(cè)控制器加速設(shè)計(jì)及參數(shù)整定.pdf

1、作為一種能夠明確處理復(fù)雜約束的優(yōu)化控制算法，預(yù)測(cè)控制已經(jīng)得到很多工業(yè)控制領(lǐng)域的青睞，但它在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些本質(zhì)的困難。首先，預(yù)測(cè)控制的滾動(dòng)優(yōu)化要求實(shí)時(shí)求解約束優(yōu)化問題，在線計(jì)算的復(fù)雜性限制了其在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用。近十年來(lái)興起的現(xiàn)場(chǎng)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(jī)制和高效的流水線結(jié)構(gòu)為預(yù)測(cè)控制在線矩陣運(yùn)算提供了一個(gè)很好的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，但矩陣求逆運(yùn)算仍需消耗大量的

2、計(jì)算時(shí)間與硬件資源；其次，在預(yù)測(cè)控制算法中由于性能指標(biāo)與控制參數(shù)之間沒有明確的定量關(guān)系，使得在參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)仍需要通過大量的仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行選擇和驗(yàn)證，這對(duì)于一般的工控機(jī)問題不大，但對(duì)于嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的預(yù)測(cè)控制器則需要另外與主機(jī)搭建聯(lián)合仿真控制平臺(tái)來(lái)下載控制參數(shù)，這不利于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的獨(dú)立應(yīng)用，并且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試人員的技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)也提出了很高的要求。
　　本文從上述兩個(gè)角度出發(fā)，以FPGA為預(yù)測(cè)控制的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，主要研究工作如下：
　　1）基

3、于硬件矩陣求逆的FPGA模型預(yù)測(cè)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。圍繞如何在FPGA上進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)控制在線計(jì)算速度的問題，重點(diǎn)考慮如何利用FPGA資源高效實(shí)現(xiàn)矩陣求逆運(yùn)算。針對(duì)預(yù)測(cè)控制算法中待求逆矩陣的對(duì)稱正定特性，采用一種簡(jiǎn)易的對(duì)稱正定矩陣求逆算法，給出了在FPGA上使用硬件資源高效實(shí)現(xiàn)對(duì)稱正定矩陣求逆的設(shè)計(jì)方案，并將其擴(kuò)展至二次規(guī)劃問題的求解過程中，設(shè)計(jì)了基于硬件矩陣求逆的FPGA模型預(yù)測(cè)控制器，使其在線求解速度與用軟件求逆時(shí)相比有很大提高。<

4、br>　　2）面向典型工業(yè)對(duì)象的FPGA預(yù)測(cè)控制器參數(shù)設(shè)計(jì)與研究。針對(duì)一類典型工業(yè)對(duì)象，根據(jù)理論分析得到的預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)定量分析的結(jié)論，可以不通過仿真直接設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)控制參數(shù)。借鑒理論分析結(jié)果，在FPGA上設(shè)計(jì)了針對(duì)這類對(duì)象的專用預(yù)測(cè)控制器，完成了模型辨識(shí)、控制參數(shù)選擇和在線實(shí)時(shí)控制等設(shè)計(jì)。
　　3）基于FPGA的預(yù)測(cè)控制器的案例研究。將設(shè)計(jì)的基于硬件矩陣求逆的FPGA模型預(yù)測(cè)控制器和面向典型工業(yè)對(duì)象的FPGA預(yù)測(cè)控制器分別應(yīng)用到注塑機(jī)