10、基于FPGA的PSO优化/可调PID模糊逻辑控制器设计

基于FPGA的PSO优化/可调PID模糊逻辑控制器设计

1. 引言

模糊逻辑控制器在众多控制应用中取得了成功，其中最常用的是PID控制器。模糊逻辑控制器为PID控制器提供了一种替代方案，是控制难以建模系统的有效工具，其控制动作可以用简单的“如果 - 那么”规则来表达。与传统控制器相比，模糊控制器能覆盖更广泛的运行条件，并且能在不同性质的噪声和干扰下运行。

常见的模糊控制器设计方法是将其实现为计算机程序，但高密度可编程逻辑器件（如FPGA）可以在单个集成电路中集成大量逻辑。FPGA比ASIC具有更高的灵活性，并且能满足更紧凑的上市时间要求。

硬件实现模糊逻辑控制器有许多要求，如高速性能、低复杂度和高灵活性。在推导实用的PID模糊控制器（PIDFC）结构时，需要减少输入数量，因为用误差总和变量来制定模糊规则较为困难，其稳态值在大多数控制问题中是未知的。此外，数字模糊控制器的设计在结构上存在限制，如模糊化块中模糊集形状的限制。因此，有必要设计一种基于FPGA的PIDFC，减少输入和规则数量，以实现高速处理和低芯片资源利用率。

为了设计一种能有效替代计算机程序实现的模糊控制器，并能实时服务于广泛系统的PIDFC，需要实现以下目标：
1. 设计一种改进的模糊算法的PIDFC，实现低实现尺寸和高处理速度。
2. 在FPGA芯片内为PIDFC添加调谐增益块，使其能够接受基于PSO的最优缩放增益。
3. 设计两种版本的PIDFC，分别为8位和6位。
4. 在单位反馈控制系统中，用不同的工厂模型测试所提出的设计。

相关FPGA控制器的总结如下表所示：
| Ref No. | 控制器类型 | 优化和调谐方法 |