基于FPGA的溫度模糊控制器的實(shí)現(xiàn)

彭成功，劉艷萍，朱紫嫄

（河北工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，天津 300401）

自1965年L.A.Zadeh教授發(fā)表了關(guān)于模糊集的開創(chuàng)性論文一來，模糊理論的應(yīng)用，特別是在工業(yè)控制中的應(yīng)用，得到了迅速的發(fā)展。與此同時(shí)，隨著現(xiàn)代集成電路工藝技術(shù)的改進(jìn)，使得在一個(gè)芯片上集成千萬個(gè)器件成為可能，電子行業(yè)必將向著SOPC方向發(fā)展。20年前這個(gè)趨勢已經(jīng)十分明確，現(xiàn)在已經(jīng)變成現(xiàn)實(shí)，15年前國內(nèi)聽說過Verilog硬件描述語言的不會(huì)超過幾百人，更別提設(shè)計(jì)復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)了。基于現(xiàn)在的這個(gè)發(fā)展?fàn)顩r，文中基于FPGA平臺(tái)使用verilog編寫了一個(gè)溫度二維模糊控制系統(tǒng)。

1 模糊控制原理

模糊控制器[1]是一種對(duì)系統(tǒng)控制的宏觀方法，其核心是用語言描述的控制規(guī)則。語言控制規(guī)則通常用 “如果…，則…”的方式來表達(dá)在實(shí)際控制中的專家知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。模糊控制的最大特點(diǎn)是將專家的控制經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)表示成語言控制規(guī)則，然后用這些規(guī)則去控制系統(tǒng)。其控制原理如圖1所示。

圖1 模糊控制器原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the fuzzy controller

首先通過傳感器（下文用的是DS18B20）把檢測到的物理信號(hào)變成精確的數(shù)字信號(hào)，精確的輸入信號(hào)輸入控制器后，把精確的輸入量轉(zhuǎn)換成為模糊集合的隸屬函數(shù)，這就是所謂的模糊化，模糊化的目的是把傳感器的輸入轉(zhuǎn)化成知識(shí)庫可以理解和操作的變量格式；然后，根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)制定出模糊控制規(guī)則，并進(jìn)行模糊推理，得到一個(gè)模糊輸出集合；最后，根據(jù)模糊推理得到輸出模糊集合隸屬函數(shù)，用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄕ乙粋€(gè)具有代表性的精準(zhǔn)值作為控制量，去控制被控對(duì)象。

2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

2.1 模糊控制器的設(shè)計(jì)思想

模糊控制器有一維，二維和多維，維數(shù)越多精準(zhǔn)度越高。但隨著維數(shù)的增加，模糊規(guī)則的確定會(huì)更加困難，控制算法會(huì)趨于復(fù)雜化[2]?；谶@些原因，我們?cè)O(shè)計(jì)使用最廣的二維模糊控制器。

設(shè)計(jì)分為3部分：

1）語言控制規(guī)則

2）隸屬函數(shù)

3）控制器輸入輸出規(guī)范化的比例因子

在設(shè)計(jì)一套語言規(guī)則時(shí)，必須要考慮它的完整性、交叉性和一致性[1]。

2.2 模糊控制器的設(shè)計(jì)過程

下面來具體設(shè)計(jì)一個(gè)用于控制溫度的模糊控制器，系統(tǒng)頂層模塊如圖2所示。ROM輸入端口的地址信號(hào)。溫度偏差（error）=設(shè)定溫度-測量溫度，溫度偏差變化率（rate）=（此刻測量溫度-上一時(shí)刻的測量溫度）/時(shí)間間隔，取時(shí)間間隔為1 s，即 rate可由此刻測量溫度-前一秒的測量溫度來衡量。設(shè)置溫度區(qū)間為40～45°C，測量溫度范圍為 25～45 °C，即 error的論域 E 位-5～20 °C，把E論域劃分為10個(gè)模糊子集，分別用模糊言語表示N（負(fù)）、ZO（零）、P0（正 0）、PVS（正很小）、PS（正?。?、PMS（正中?。M（正中）、PMB（正中大）、PB（正大），PVB（正很大），他們的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1；把rate的論域RT劃分為9個(gè)模糊子集，同樣也用模糊語言表示 NMS（負(fù)中?。?、NS（負(fù)小）、NVS（負(fù)很?。?、N（負(fù)）、ZO（零）、P0（正 0）、PVS（正很?。?、PS（正小）、PMS（正中?。┧麄儗?duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

圖2 模糊控制器系統(tǒng)頂層框圖Fig.2 Top-level block diagram of the fuzzy controller system

表1溫度偏差模糊化表Tab.1 Temperature deviation fuzzification table

表2溫度偏差變化率模糊表Tab.2 Fuzzy table of the rate of change of temperature deviation

由于DS18B20提供的溫度測量精度是9到12位，在這里設(shè)定的溫度范圍中只用到10位就可以表示 （具體可參看DS18B20手冊(cè)），該模糊算法子模塊的設(shè)計(jì)程序和仿真結(jié)果（如圖3所示）如下：

PWM波生成子模塊的2個(gè)輸入分別是頻率為10Khz的時(shí)鐘信號(hào)和控制占空比的信號(hào)，2個(gè)輸出分別是幾何對(duì)稱的PWM波[8]，他們之間有一定的死區(qū)（最大的占空比為40%），這是為了避免功率放大電路MOS管的全部導(dǎo)通。

圖3 模糊算法子模塊仿真圖Fig.3 Simulation result of the fuzzy algorithm sub-module

該模糊算法子模塊的設(shè)計(jì)程序和仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 PWM波生成子模塊仿真圖Fig.4 Simulation result of the PWM waves sub-module

ROM宏模塊的2個(gè)輸入分別是1 MHz的時(shí)鐘信號(hào)和模糊控制算法子模塊中的e_r_ctrl信號(hào)，輸出是控制占空比的信號(hào)。

下面來分析一下ROM存儲(chǔ)器初始化 （.MIF）文件的設(shè)計(jì)，首先，把占空比ratio的論域 RT[0，40%]劃分成 9個(gè)模糊子集，它們的應(yīng)用關(guān)系如表3所示；然后，我們?cè)O(shè)計(jì)出溫度偏差（E）、溫度偏差變化率（RT）和占空比控制信號(hào)（R）之間的模糊語言控制規(guī)程，如表 4所示（表中內(nèi)容為 R）；最后，以error（高4位）和rate（低四位）為ROM的輸入地址信號(hào)。

該ROM的初始化文件程序和仿真結(jié)果如圖5所示。

表3 Ratio的模糊規(guī)則表Tab.3 Ratio fuzzy rule table

表4 模糊語言控制規(guī)則Tab.4 Fuzzy linguistic control rules

圖5 ROM模塊的仿真圖Fig.5 ROM module simulation figure

加減法模塊有3個(gè)輸入分別是cin、dataa、datab，輸出為溫度偏差或溫度偏差變化率（這里用到了2個(gè)加減法子模塊）。

加減法子模塊的在cin為0和1情況下的仿真圖，如圖6、7 所示。

圖6 cin=1的仿真圖Fig.6 Simulation of the cin=1

圖7 cin=0的仿真圖Fig.7 Simulation of the cin=0

數(shù)據(jù)寄存器宏模塊有2個(gè)輸入分別是1 Hz的時(shí)鐘信號(hào)（在前面溫度偏差變化率計(jì)算值，時(shí)間間隔為1 s）和測量溫度信號(hào)，輸出為延時(shí)了一個(gè)時(shí)鐘周期的測量溫度信號(hào)。

模糊控制器頂層模塊仿真結(jié)果如圖8所示。

對(duì)仿真結(jié)果的分析如下：

當(dāng)前的測量溫度為1001000000（36°C），前一時(shí)刻測量溫度為 1000111100（35.75 °C），溫度偏差變化率為 0.25 °C，設(shè)置的溫度為1010100000（42°C），根據(jù)模糊規(guī)則表可知，對(duì)應(yīng)的R域?yàn)镻S，也就是15%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果正好為15%。

模糊數(shù)的隸屬函數(shù)可以取各種不同的形狀，如梯形、三角形、鐘形、棒形。其中棒形最為簡單，是其它隸屬函數(shù)幅寬為零時(shí)的特例。三角形的隸屬函數(shù)，形狀簡單，容易計(jì)算，并且和其它較復(fù)雜的隸屬函數(shù)得到的控制結(jié)構(gòu)差別很小，故別廣泛應(yīng)用。棒形的隸屬函數(shù)，可以省去計(jì)算較為復(fù)雜的求重心的部分，這樣整個(gè)控制器的計(jì)算就非常簡單，因而在實(shí)際應(yīng)用中，便于計(jì)算的實(shí)現(xiàn)。

圖8 模糊控制器頂層模塊仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of the fuzzy controller top-level module

在這個(gè)設(shè)計(jì)中，使用三角形的隸屬函數(shù)來表示控制規(guī)則條件部分的模糊數(shù)，用棒形的隸屬函數(shù)來表示結(jié)論部分的模糊數(shù)。

3 結(jié)束語

基于FPGA平臺(tái)設(shè)計(jì)的溫度二維模糊控制器，充分利用了FPGA的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)結(jié)果可行，能夠應(yīng)用到溫度監(jiān)控系統(tǒng)中。

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