1 引 言 由于模糊控制不依賴系統(tǒng)的精確模型，具有一定適應(yīng)能力、魯棒性好等特點(diǎn)，所以模糊控制器在工業(yè)控制系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)合。傳統(tǒng)模糊控制器對(duì)特定專家的經(jīng)驗(yàn)依賴大，所以有關(guān)模糊控制器的性能優(yōu)化是人們一直以來(lái)關(guān)注的問(wèn)題。其中，參數(shù)自調(diào)整模糊控制器就是一種基于對(duì)模糊控制器的輸入和輸出的量化因子進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的改進(jìn)模糊控制器。 有關(guān)模糊控制器的成功實(shí)現(xiàn)方案很多，例如基于PC機(jī)或單片機(jī)等。近年隨著電子集成制造工藝以及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了基于EDA工程[1] 的FPGA開(kāi)發(fā)技術(shù)。利用FPGA豐富的硬件資源，以及方便的輔助開(kāi)發(fā)工具，可以開(kāi)發(fā)一些新型的自動(dòng)化控制器。 本文給出一種具有一定適應(yīng)能力的參數(shù)自調(diào)整模糊控制器，并且給出有關(guān)基于FPGA的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案。 2 參數(shù)自調(diào)整模糊控制器原理與設(shè)計(jì) 2.1 模糊控制器原理 普通的模糊控制器包括模糊量化、模糊規(guī)則、模糊決策、模糊判決等五 個(gè)大部分。其中，模糊量化完成對(duì)輸入精確量轉(zhuǎn)換為輸入模糊量。模糊規(guī)則是一系列控制規(guī)則，通常是一組IF-THEN結(jié)構(gòu)的規(guī)則。模糊決策是根據(jù)輸入模糊量以及模糊控制規(guī)則，獲得有關(guān)模糊決策值。模糊判決是指從決策值模糊集中，判決出一個(gè)確切的清晰量。然后把有關(guān)控制量作用到被控制對(duì)象上。通常在模糊量化的過(guò)程中，對(duì)輸入量要乘以一個(gè)比例因子，進(jìn)而量化到模糊區(qū)間上。相類似，在模糊判決輸出的決策模糊量也要乘以一個(gè)比例因子，進(jìn)而量化到控制量的精確區(qū)間上。 [align=center] 圖1 普通模糊系統(tǒng)的原理示意圖[/align] 圖1是普通模糊系統(tǒng)的原理示意圖。圖中，r、y、e和ec分別是系統(tǒng)的輸入信號(hào)、輸出信號(hào)、系統(tǒng)的誤差信號(hào)、系統(tǒng)輸入誤差微分信號(hào)。E和EC分別是，系統(tǒng)輸入誤差信號(hào)以及相應(yīng)誤差微分信號(hào)，量化到模糊區(qū)間上的對(duì)應(yīng)量化值。U是模糊判決控制的決策模糊量，u是控制量化值轉(zhuǎn)換到控制精確區(qū)間的對(duì)應(yīng)輸出控制量。G1、G2、G3分別為輸入量化以及控制量化的比例因子。 比例因子G1、G2和G3對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響很大。若G1變化時(shí)候，則控制決策表相應(yīng)的水平覆蓋域發(fā)生變化，使同一數(shù)量值的e所處的水平區(qū)域發(fā)生變化，相應(yīng)的輸出控制量便可能發(fā)生變化。實(shí)踐證明：在系統(tǒng)響應(yīng)曲線的上升段，G1的變化將影響系統(tǒng)響應(yīng)速度，G1越小，死區(qū)越小，響應(yīng)越快，但超調(diào)量也越大；在穩(wěn)定段，也就是E和EC都處在相應(yīng)零位置的時(shí)候，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差與量化因子G1大小成反比。若G2變化，同理也會(huì)影響ec所處的水平區(qū)域發(fā)生變化，相應(yīng)的輸出控制量便可能發(fā)生變化。實(shí)踐證明：對(duì)G2的變化，在設(shè)定點(diǎn)附近尤其敏感，當(dāng)G2變小時(shí)，控制靈敏度增加，但也增加了收斂的困難，失去了一部分控制規(guī)則；而當(dāng)G2變大時(shí)，控制器反應(yīng)遲鈍，容易造成振蕩。G3直接影響模糊控制器的輸出。在初始段，控制器若以絕對(duì)量輸出時(shí)，G3對(duì)控制沒(méi)什么影響；但當(dāng)控制器以增量形式輸出時(shí)，若工作在正值區(qū)，G3的增大使輸出量也相應(yīng)增大，上升變快，死區(qū)變??；但在收斂段，控制器工作在負(fù)值區(qū)，G3增大將導(dǎo)致輸出量大幅度減少，使得系統(tǒng)緩慢逼近設(shè)定值，特別在穩(wěn)定段，G3大會(huì)引起振蕩[2]。 由G1、G2、G3對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響，可知在不同階段對(duì)有關(guān)比例因子分段取值，顯然可以提高模糊控制的控制效果。所以，在本改進(jìn)的模糊控制器中，采用了對(duì)有關(guān)比例因子進(jìn)行調(diào)整的策略，也就是所謂的參數(shù)自調(diào)整模糊控制器。 2.2 自調(diào)整模糊控制器 文獻(xiàn)[3] 所提出的自調(diào)整模糊控制器，就是采用了在控制中根據(jù)輸入量誤差的大小不同，對(duì)有關(guān)比例因子進(jìn)行動(dòng)態(tài)改變。從而提高了有關(guān)控制效果。 3 基于FPGA的參數(shù)自調(diào)整模糊控制器設(shè)計(jì) 在模糊控制理論被實(shí)際應(yīng)用后，模糊控制器的硬件化實(shí)現(xiàn)已經(jīng)取得了很大的成果。一般是用單片機(jī)、PC機(jī)或者DSP芯片以及相應(yīng)控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。但功能日益完善的FPGA相對(duì)于單片機(jī)與DSP有很大的優(yōu)勢(shì)。 用戶可對(duì)FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實(shí)現(xiàn)用戶的邏輯。它還具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過(guò)編程來(lái)修改。工程師可以通過(guò)傳統(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語(yǔ)言自行設(shè)計(jì)一個(gè)基于FPGA的數(shù)字系統(tǒng)。通過(guò)軟件仿真，我們可以事先驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。在PCB完成以后，還可以利用FPGA的在線修改能力，隨時(shí)修改設(shè)計(jì)而不必改動(dòng)硬件電路。使用FPGA來(lái)開(kāi)發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，減少PCB面積，提高系統(tǒng)的可靠性。 不過(guò)早期限于開(kāi)發(fā)工具與工藝的限制，很多模糊控制系統(tǒng)的芯片化實(shí)現(xiàn)是由微電子或者相近專業(yè)的研究人員來(lái)完成的[5]。但限于專業(yè)的差異，很多具體領(lǐng)域的基于FPGA為基礎(chǔ)的模糊控制芯片開(kāi)發(fā)不多。不過(guò)近幾年，隨著計(jì)算機(jī)輔助工具的發(fā)展，出現(xiàn)了EDA工程[1]。有關(guān)FPGA的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工具也被普遍推廣，所以在自動(dòng)化領(lǐng)域，越來(lái)越多的基于FPGA的控制器[6]涌現(xiàn)出來(lái)。 但是在僅僅以FPGA為基礎(chǔ)的方案實(shí)現(xiàn)里，很多有關(guān)數(shù)據(jù)運(yùn)算過(guò)程的實(shí)現(xiàn)過(guò)程復(fù)雜。不過(guò)，由于FPGA所固有的并行處理結(jié)構(gòu)，因此在進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算時(shí)性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)DSP處理器。所以如果設(shè)計(jì)合理，一般用FPGA開(kāi)發(fā)的專用模塊的計(jì)算速度快于一些傳統(tǒng)DSP以及其他微處理器[7]。 如果選用具有已經(jīng)內(nèi)置DSP硬件資源的FPGA，那么在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上會(huì)更合理一些。但一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于開(kāi)發(fā)有DSP資源的FPGA，不管從芯片還是開(kāi)發(fā)工具上，成本都很昂貴。不過(guò)，目前出現(xiàn)一些低成本的內(nèi)置DSP的FPGA。對(duì)于FPGA的兩大主要生產(chǎn)商Xilinx公司與Altera公司，它們提供低成本的DSP與FPGA優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的芯片，目前分別為Spartan-3與Cyclone III。這些芯片目前在通訊領(lǐng)域應(yīng)用比較多，但對(duì)于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)來(lái)說(shuō)應(yīng)用不多。所以，參數(shù)自調(diào)整模糊控制器的實(shí)現(xiàn)，可以采用這種低成本具有DSP的FPGA芯片為硬件基礎(chǔ)。 其中，A/D控制器部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換控制器的有關(guān)控制。模糊量化因子調(diào)整模塊部分，實(shí)現(xiàn)根據(jù)系統(tǒng)誤差大小，合理選擇量化調(diào)節(jié)的比例因子的作用。模糊決策模塊根據(jù)模糊規(guī)則與輸入模糊量進(jìn)行模糊推理，得到模糊化的控制量化值。模糊判決模塊把有關(guān)模糊決策的控制量化值轉(zhuǎn)換為具體控制量，當(dāng)然其中包括模糊輸出的量化因子部分。其中，主控制模塊的作用為協(xié)調(diào)各個(gè)模塊之間的工作，具體為向每個(gè)模塊提供時(shí)鐘信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、以及各個(gè)模塊的起/停信號(hào)。 4 結(jié)束語(yǔ) 參數(shù)自調(diào)整模糊控制器，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)模糊量化過(guò)程中的比例因子，來(lái)達(dá)到提高模糊控制器性能的效果。有關(guān)控制思路清晰、便于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。并且所分析的參數(shù)自調(diào)整模糊控制器對(duì)不同環(huán)境的控制系統(tǒng)有一定適應(yīng)性。最后給出了有關(guān)該模糊控制器的實(shí)現(xiàn)方案。對(duì)類似控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有一定借鑒意義。 參考文獻(xiàn) [1] 黃繼業(yè),潘松.EDA技術(shù)實(shí)用教程（第2版）[M].北京:科學(xué)出版社,2005. 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