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1、基于FPGA的预测控制器设计摘 要预测控制是随着自适应控制的研究而发展起来的一种先进的计算机控制算法，FPGA具有很强的并行运算能力，运行速度快，采用FPGA阵列处理器实现预测控制系统，能大幅提高预测控制的在线优化速度。本文在Xilinx公司的集成开发环境ISE9.1i中，采用硬件描述语言HDL编程，调用IP核等输入方式，完成了预测控制改进算法的PPGA设计与实现。论文首先介绍了广义预测控制算法以与改进的算法，由于算法主要涉与矩阵相关的运算需要进行大量的数据计算和处理，为了减少数据计算的复杂性，从实现算法的控制器的硬件结构上改进，因此采用FPGA阵列处理器实现预测控制系统。针对基于FPGA硬件
2、实现的特点介绍了求解预测控制中逆矩阵的递推算法，设计出了预测控制的处理器阵列结构.在设计中采用层次化，模块化的思想，将整个算法划分成多个功能模块，画出了各模块的流程图。包括系统的总体结构设计，基本的处理器单元的设计，递推求逆算法的处理器阵列设计，输出预测的处理器阵列设计，控制增量的计算，参数辨识等。最后用Modelsim仿真软件对各模块进行了仿真，给出了仿真结果。设计中的各模块均采用HDL通用硬件描述语言进行描述，对仿真结果进行了分析表明:采用FPGA阵列处理器实现预测控制系统，能大幅提高预测控制的在线优化速度，减小控制器面积，扩大预测控制的应用领域.关键词:预测控制算法;FPGA;处理器阵列
3、;矩阵求逆;并行运算Design of predictive controller based on FPGAAbstractWith the development of adaptive control, predictive control is proposed. Predictive control algorithm is an advanced computer control algorithm, and based on parameter model without strict requirements to process model. FPGA system has
4、strong parallel computing capability and higher speed in calculations. So in-line optimization speed is raised.In the thesis, based on Xilinx integrated developing environment ISE9.1i, using hardware description language as the programming language, IP core as the input, a improved predictive-contro
5、l algorithm is designed and implemented using FPGA. General predictive-control algorithm and its improved format are introduced. The algorithm involves with many matrix calculation, so a lot of data computing and processing is needed. At the same time improvement from controller and hardware structu
6、re is obtained. FPGA array processor is used to implement predictive-control system.Due to the FPGA hardware implement, recurrent method for Matrix inversion in the predictive-control is briefly discussed. Predictive-control processor array structure is designed. In the design, adopting hierarchy an
7、d module method, the entire algorithm is divided into function modules, flows of function modules have been drawed. Such as overall system structure design, basic processor design, recurring matrix inversion processor array design, output prediction processor array design, control increment calculat
8、ion, parameter identification, and so on. Every functional module is simulated using software Modelsim. The simulation result is given.HDL description language is applied in the models of design. Analyzes the results of simulation and receives some useful conclusions. So in-line optimization speed i
9、s raised and the size and cost is reduced, the application field is greatly expanded.Key words:Predictive-control algorithm; FPGA;Processor arrays; Matrix inversion; Parallel algorithm目 录摘要IABSTRACTII第 1 章绪论11.1 研究现状概述11.2 预测控制的发展和应用31.3 预测控制在新应用中面临的问题41.4 FPGA 实现预测控制器的优势51.5 主要容7第 2 章基础知识82.1 FPGA
10、技术82.1.1 FPGA 结构82.1.2 FPGA 特点112.2 SOPC 技术112.3 Nios II 嵌入式软核处理器132.4 FPGA/SOPC 开发工具142.5 FPGA/SOPC 开发流程16第3章广义预测控制算法193.1 预测控制的特点193.1.1 预测模型193.2 改进的广义预测控制算法213.2.1 预测模型213.2.2 最小方差预报器223.2.3 预测输出223.2.4 参考轨迹233.3 矩阵分解233.4 递推求逆24第4章预测控制FPGA实现的基本单元介绍264.1 乘法加法器：264.2 移位寄存器：274.3 A/D转换模块：284.4 D/A
11、转换模块：30第5章预测控制器设计方案325.1 Nios II 处理器核335.2 JTAG UART IP 核355.3 timer IP核355.4 UART IP核365.5 SPIIP核365.6 avalon-M M Tristate总线桥IP核375.6.1 UART 串口通信395.7 系统集成与调试40第6 章总结42参考文献43致45 / 第 1 章 绪论预测控制又称为模型预测控制，它是 70 年代后期在工业过程控制领域中产生的一类新型计算机控制算法。它的问世，一方面是受到了计算机技术发展的推动，另一方面也来自复杂工业控制实践向高层优化控制提出的挑战。由于它采用多步预测，滚
12、动优化和反馈校正等控制策略，因而控制效果好，鲁棒性强，适用于对不易建立精确数学模型且比较复杂的工业生产过程进行控制，因此它一出现就受到国外工程界和控制界的重视，在现代工业控制中得到了广泛的应用。近年来，模型预测控制的应用逐渐跨越工业控制，而延伸到航空、机电、网络、交通等众多领域。1.1 研究现状概述时间2010年12月30日消息，美英两国科学家联合开发了一款运算速度超快的电脑芯片，使当前台式机的运算能力提升20倍。 当前的个人电脑使用双核、4核、16核处理器来执行各项任务。如今，美英研究人员开发的中央处理器(CPU)将1000个核有效集成于一个芯片上。这项突破或将在今后几年开启一个超高速运算的
13、新时代，使家庭用户不再对运行缓慢的电脑系统感到沮丧。虽然速度更快，但由于新型“超级”电脑的能耗远低于当前电脑，所以更加环保。 研究人员采用了一种名为“现场可编程门阵列”(以下简称“FPGA”)的芯片，使得微晶片就像都含有数百万个晶体管一样，而晶体管则是任何电路的基本组成部分。不过，FPGA芯片可由用户安装到特定电路，它们的功能不是在出厂时就设定好的。这样一来，用户可以将晶体管划分成一个个“小群体”，要求每个“小群体”完成不同的任务。 通过在FPGA芯片创建逾1000个微电路，研究人员便将这个芯片变成了1000个核的处理器每个核都可以遵照自己的指令工作。在测试中，FPGA芯片每秒能处理5GB的数
14、据，处理速度大概相当于当前台式机的20倍。这项研究由英国格拉斯哥大学的韦姆德堡韦德(Wim Vander Bau Whe De)博士和美国马萨诸塞大学卢维尔分校的同行共同实施。 德堡韦德说：“FPGA芯片没有应用于标准电脑上，原因是对FPGA芯片编程相当困难。FPGA芯片的处理能力强大，由于速度更快，能耗相当低，是我们更为环保的选择。”虽然当前市场上销售的电脑大多数核超过一个，可以同时实施不同任务，但传统多核处理器只能共用一个存储源，这降低了运算速度。德堡韦德的研究团队给每个核分配一定量的专用存储空间，从而加快了处理器的运算速度。 一名用户坐在运算速度很慢的台式机前面，看上去一筹莫展。在测试中
15、，FPGA芯片每秒能处理5GB的数据，处理速度大概相当于当前台式机的20倍 德堡韦德博士说：“这只是初期概念验证研究，我们试图展示对FPGA编程的便捷方式，令其超高速处理的潜力可以更为广泛地应用于未来的运算器和电子设备上。虽然现有许多技术充分使用FPGA芯片，如等离子电视、液晶电视和电脑网络路由器，但它们在标准台式机上的应用却十分有限。” “但是，我们看到，包括英特尔和ARM在的一些厂商已经宣布将开发集成传统CPU与FPGA芯片的微晶片。我认为此类处理器会得到更广泛的应用，有助于在今后几年进一步提升电脑运算速度。”德堡韦德希望在2011年3月应用重构运算国际研讨会上详细介绍他的研究发现。1.2 预测控制的发展和应用以状态空间法为基础的现代控制理论自创立以来，已得到了迅速发展，特别是在航天、航空领域取得了令人瞩目的成就，并且对自动控制技术的发展起到了积极的推动作用。但随着科学技术的不断进步和工业生产的迅速发展，对大型、复杂和不确定性系统实行自动控制的要求不断提高，使得现代控制理论的局限性日益明显。主要反映在以下几个方面：（1）现代控制理论过份依赖于被控对象的精确数学模型，而在现实工业过程中，往往很难建立精确的数学模型，即使一些被控对象能够建立起数学模型，但因其结构十分复杂而难于设计和实现有效的控制；（2）
