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基于FPGA的模糊自整定PID控制算法的研究

作　者: 曲园
导　师: 耿恒山
学　校: 河北工业大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: PID控制模糊控制模糊自整定PID 温室节点式渗灌系统 FPGA
分类号: TN791
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

控制算法自问世以来,一直受到人们的广泛关注。针对特定的领域,将模糊控制算法与传统PID控制算法相结合,扬长避短,充分发挥二者的优势。同时,电子技术领域也在不断发展,现场可编程逻辑器件FPGA的研究日趋成熟,它的发展使得实现基于硬件的模块化算法成为可能。本文根据模糊控制理论的优点,针对传统的PID算法在控制领域的局限性,将模糊控制理论与传统PID控制算法相结合实现参数的自整定功能,提出模糊自整定PID控制器的设计方法,并对此算法进行了深入的研究分析。通过对现代温室节点式渗灌系统的分析研究,建立了现代温室节点式渗灌系统的数学模型。将模糊自整定PID控制算法应用到现代温室节点式渗灌系统中,并且对传统PID算法、模糊PID算法和模糊自整定PID控制算法进行了MATLAB仿真分析,仿真分析结果表明模糊自整定PID控制算法能很好的实现温室节点式渗灌系统的控制作用,超调量小,缩短动态过程,整个系统的稳定性较好。在仿真基础上,以FPGA为开发平台,Quartus II软件为开发工具,运用模块化的设计思想,将控制算法根据功能的不同进行模块化处理,完成了模糊自整定PID控制算法的FPGA实现。本文主要采用原理图和硬件描述语言VHDL相结合的设计方式来实现算法结构的输入设计,然后利用Quartus II软件工具自带的仿真功能对设计进行了仿真,仿真结果表明该设计实现了模糊自整定PID控制算法的功能。该控制算法模块的FPGA实现很好的避免了因CPU或者其它问题导致算法程序跑飞、程序死循环、复位不可靠等问题,提高了控制的可靠性。同时加强了模块的通用性,减少了系统硬件开发周期,节省了外围设备的电路,降低了设计开发成本。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
第一章绪论  8-12
  §1-1 课题的研究现状及意义  8-9
  §1-2 本课题研究的主要内容  9-10
  §1-3 本论文的内容安排  10-12
第二章模糊自整定 PID 控制算法的研究及设计  12-25
  §2-1 PID 校正  12-15
    2-1-1 PID 控制工作原理  12-13
    2-1-2 PID 控制的三个参数整定  13-14
    2-1-3 增量式PID 控制  14-15
    2-1-4 PID 控制的局限性  15
  §2-2 模糊控制  15-17
    2-2-1 模糊控制的结构和组成  15-16
    2-2-2 模糊控制的局限性  16-17
  §2-3 模糊自整定PID 控制算法的研究  17-24
    2-3-1 模糊自整定PID 控制的优点  17
    2-3-2 模糊自整定PID 控制算法的结构  17-18
    2-3-3 模糊自整定PID 控制器的设计  18-24
  §2-4 本章小结  24-25
第三章模糊自整定 PID 控制算法在温室渗灌系统中的应用及仿真  25-38
  §3-1 温室渗灌系统简介  25
  §3-2 温室渗灌系统的特性分析  25-26
  §3-3 渗灌输水管网的数学模型  26-30
    3-3-1 计算条件  26-27
    3-3-2 渗灌输水管网的水力计算  27-29
    3-3-3 温室渗灌系统数学模型的建立  29-30
  §3-4 模糊自整定PID 控制算法在温室渗灌系统中的应用  30-33
    3-4-1 控制器的输入量量化  30-31
    3-4-2 控制器的模糊化  31
    3-4-3 控制器的模糊推理  31-32
    3-4-4 控制器的解模糊化  32-33
  §3-5 MATLAB 仿真  33-36
    3-5-1 仿真环境介绍  33
    3-5-2 传统PID 控制算法的MATLAB 仿真  33-34
    3-5-3 二维常规模糊控制算法的MATLAB 仿真  34-36
    3-5-4 模糊自整定PID 控制算法的MATLAB 仿真  36
  §3-6 仿真结果比较分析  36-37
  §3-7 本章小结  37-38
第四章基于 FPGA 的软硬件介绍  38-44
  §4-1 硬件描述  38-40
    4-1-1 现场可编程逻辑器件FPGA  38-40
  §4-2 软件描述  40-42
    4-2-1 Quartus Ⅱ开发平台  40-41
    4-2-2 硬件描述语言VHDL  41-42
    4-2-3 原理图的设计方法  42
  §4-3 FPGA 设计的一般流程  42-43
  §4-4 本章小结  43-44
第五章模糊自整定 PID 控制算法的 FPGA 设计  44-54
  §5-1 误差及误差变化量模块的设计  44-45
  §5-2 隶属函数及知识库的设计  45-47
    5-2-1 隶属函数的编码考虑  45-46
    5-2-2 模糊控制规则查找表的设计  46-47
  §5-3 模糊量化等级模块的设计  47-50
  §5-4 模糊推理模块的设计  50-51
  §5-5 解模糊的模块的设计  51-52
  §5-6 增量式PID 控制算法的设计  52-53
  §5-7 本章小结  53-54
第六章实验结果及仿真  54-57
  §6-1 模糊自整定PID 控制算法的FPGA 实现  54-55
  §6-2 算法模块的仿真  55-56
  §6-3 本章小结  56-57
第七章总结与展望  57-59
  §7-1 本文的工作总结  57
  §7-2 本文的工作研究展望  57-59
参考文献  59-61
致谢  61

基于FPGA的模糊自整定PID控制算法的研究

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