（测试计量技术及仪器专业论文）基于fpga的电涡流缓速器控制系统的设计.pdf

摘甏 摘要 良好的制动性能是汽车重要指标之一，它能有效降低驾驶员的劳动强度，提 高行驶安全性，提高运输效率促进经济发展。为了减少汽车主制动器的负荷、提 高汽车制动效能和稳定性，载重或大客车都必须安装缓速器，以承担大部分的制 动负荷。随着电涡流缓速器应用的日益普及，圜内生产商纷纷开展研发自主知识 产权的电涡流缓速器。本文结合f p g a 嵌入式技术，对电涡流缓速器控制系统的 设计震开研究。 本文首先对车辆制动力学进行了分析，阐述了电涡流缓速器辅助制动的必要 性，介绍了汽车辅助制动的分类和电涡流缓速器的结构、工作原理、使用效果等 等。然后从f p g a 的角度，论述了电涡流缓速器控制系统的实现方法。 电涡流缓速器控制系统是一个闭环控制系统，其中速度是环节中的一个关键 的反馈变量，其精确度对系统性能影响很大。本文分板了常规测速方法存在的闯 题，提出了数字锁相环测速的方法，并实现对速度实时、精确的测量，直接用于 b p 神经网络p i d 对速度的控制。 由于被控对象除了和励磁电流有关外，还和车的总质量、斜坡的倾斜度等等 有关，故被控对象和渤磁电流并不存在蒿单的线性豹关系，难以建立精确度数学 模型，因此，本文提出b p 神经网络p i d 的控制方法，仿真结果表明，该方法能 有效地适应缓速器的特性，实现各种控制策略。 本课题设计了基于n i o s i i 处理器嵌入式技术的软件和硬件，详细地论述了控 制器硬件的体系结构和各个功能部分的设计。然后对某些功能模块进行硬件加速， 结果表鹱，此方法提高了系统响应的实时性，体现了f p g a 在嵌入式系统开发上 的优越性。 关键词：电涡流缓速器；b p 神经网络；f p g a ；a v a l o n 总线 广东工监大攀工学硕士学建论文 a b s t r a c t a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta u t o m o t i v ei n d e x e s ，g o o db r a k ep e r f o r m a n c ec a r l r e d u c ed r i v e r s l a b o ri n t e n s i t y ，i m p r o v ed r i v i n gs a f e t y , t r a n s p o r t a t i o ne f f i c i e n c ya n d p r o m o t ee c o n o m i cd e v e l o p m e n t f o r t h es a k eo fr e d u c et h em a i nb r a k ea p p a r a t u sw o r k l o a d ，i m p r o v et h eb r a k ee f f i c i e n c ya n ds t a b i l i t y , c a m i o n sa n dc o a c h e sh a v et of i x e dt h e e d d yc u r r e n tb r a k e s ，w h i c hc a ns h a r et h el o t so fb r a k el o a d 。a l o n g 谢t ht h ei n c r e a s i n g p o p u l a r i z a t i o no fe d d yc u r r e n tb r a k e s ，m o r ea n d m o r ed o m e s t i cm a n u f a c t u r e rd e v o t e t h e m s e l v e si nd e v e l o p i n gi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h to fe d d yc u r r e n t b r a k e s 。c o m b i n e dw i 镬t h ef p g at e c h n o l o g y , t h ep a p e ri sr e s e a r c ho n 搬er a t a r d e r s c o n t r o l l e rd e s i g n 。 p a p e rf i r g l ya n a l y z e dt h ev e h i c l eb r a k ed y n a m i c s ，d i s c u s so nt h en e c e s s a r yo f t h e u s eo fe d d yc u r r e n tb r a k e ，i n t r o d u c et h ep r e s e n t l yr e t a r d e r ss t r u c t u r e ，w o r kp r i n c i p l e a n dp e r f o r m a n c e ，t h e ne x p l o r et h ei m p l e m e n to fe d d yc u r r e n tb r a k es y s t e mf r o mt h e a s p e c to ff p g ae m b e d d e dt e c h n o l o g y e d d yc u r r e n tb r a k es y s t e mi sac l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e m ，v e l o c i t yi s ak e y f e e d b a c kv a r i a b l ea n di t s a c c u r a c y d o g r e a ti m p o r t a n c e t ot h e s y s t e m s p e r f o r m a n c e t h i sp a p e ra n a l y z e st h es h o r t c o m m i n g so fr e g u l a rv e l o c i t ym e a s u r e m e t h o d ，a d v a n c e sd i g i t a lp h a s e l o c k e dl o o pa p p r o a c h ，w i t ht h i sa p p r o a c h ，w ec a ng e t t h er e a l t i m ev e l o c i t yp r e c i s e l yf o rt h ee l o c i t yc o n t r o lb a s e do nb pn e u r a ln e t w o r k p d + i na d d i t i o nt ot h ee x c i t a t i o nc u r r e n t ，c o n t r o l l e do b j e c ti sr e l a t e dt ot h ec a rt o t a l m a s sa n dt h eg r a d i e n to ft h es l o p e 。s ot h e r ei sn os i m p l el i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e n c o n t r o l l e do b je c ta n dt h ee x c i t a t i o nc u r r e n ta n di sd i f f i c u l tt os e tu paa c c u r a t e m a t h e m a t i c a lm o d e l t h i sp a p e ra d v a n c eac o n t r o lm e t h o db a s e do nb pn e u r a l n e t w o r kp i d ，a n di m p l e m e n t sd i f f e r e n tt a c t i c s t h i ss u b j e c td e s i g n sb o t hs o f t w a r ea n dh a r d w a r eb a s e do nn i o s i lp r o c e s s o r e m b e d d e d t e c h n o l o g y , d e s c r i b e s i t s s y s t e m s s t r u c t u r ea n de v e r yf u n c t i o ni n d e t a i l t h e nt a k ea d v a n t a g eo ft h ec 2 ht h ea c c e l e r a t es o m ef u n c t i o nm o d u l e s ，a sa l i a b s t r a c t - l ! l l t i l il i di i i l l l l l ll l,i,illll,ii i , i i ni i i e r e s u l t ，t h i sm e t h o di m p r o v e st h ep e r f o r m a n c eg r e a t l y , e m b o d yf p g a ss u p e r i o r i t y w h e nd e v e l o p i n ge m b e d d e ds y s t e m k e y w o r d s ：e d d yc u r r e n t ，r e t a r d e r s ，e m b e d d e dt e c h n o l o g y , b pn e u r a ln e t w o r kp i d i i i 广东工业大学工学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声骧所呈交的论文是我个人 在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 不包含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的， 论文成果魉广东工业大学所有。 申请学位论文与瓷料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字： 论文作者签字：专黔 夕伊扩年f 胃确 7 4 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1 课题研究的背景分析 良好的制动性能是汽车安全行驶的重要保障。传统汽车制动方式是在车轮 上安装机械式摩擦铡动器，这种摩擦式车轮制动器存在一定的缺陷：频繁或长 时间制动易造成制动鼓( 盘) 和摩擦片( 即制动衬片) 过热，导致制动效能衰退，甚 至制动失效而引起交通事故。另外，由于制动器过热，不仅使摩擦片磨损加剧， 使用寿命缩短，而且也易造成轮胎早期爆裂。多年来人们对汽车制动性能的改 进，大多是围绕车轮制动器本身进行的，如加宽制动鼓和摩擦片尺寸，改变摩 擦片材料配方，由鼓式制动改为盘式制动等，这些都不足以从根本上解决制动 器过早失效的闯题。 以城市公交车辆为例，通过对城市公交车辆在行驶中运用制动的强度和次 数进行统计分析，发现使用最为频繁的制动方式是低强度制动。我们把减速度 在o 2 1 2 m s 2 的车辆制动称为低强度制动，把减速度在1 2 - 3m s 2 的车辆制 动称为正常制动，把减速度在3m s 2 以上的车辆制动称为紧急制动。据统计城 市车辆在行驶中使用低强度制动的比例占了8 5 u l 。越是繁华的闹市，这一比 例就越高，车轮制动器的温升也越离。在这些情况下，造成行车制动器的负荷 很大，长时间的制动会使铡动器产生大量热量，弓| 起过热现象，从愿导致摩擦 系数降低，使制动效能下降，这是十分危险的，还可能发生制动失效而酿成重 大事故。 对于长坡，由于制动时间长，刹车片积累的热量多，摩擦系数降低和衬面 磨损加剧，制动能力下降。分析现有车轮制动器存在各种问题的原因，最重要 的一点，就是高温积累。资料显示1 2 1 ，经过一定次数的制动，轮鼓肉表面的温 度就高达5 8 0 ，轮毅和轮胎胎肩部位的温度分别达到2 5 0 。c 和1 7 0 。c 。在高温 作用下，制动片摩擦系数将大幅度下降，而摩擦片的磨损率将急剧上升。 要从根本上解决这些问题，比较切实可行的办法就是加装辅助制动装置， 将车轮制动器的负荷进行分流，使车轮制动器温度控制在合理的范围内【3 】。 电涡流缓速器是辅助制动装置中的一种，它采用的是非接触制动方式，通 过转孑高速转动与电磁馋用，吸收车辆制动能量，达到减速的露的削。缓速器 可以加强制动器系统，不需要使用主制动器就能减缓车辆行驶速度1 5 l 。 车用电涡流缓速器用以使车辆( 特别是下长坡的车辆) 速度减低或稳定在一 定速度范围，但不是用以使车辆停驶的机构。电涡流缓速器是将车辆行驶动能 转化为热能而实现减速和制动( 即起到缓速) 作用的装置。 电涡流缓速器在汽车辅助制动中的效果明显：( 1 ) 可承担车辆减速时所需要 的3 0 8 0 的制动能量溺，能够减少车轮制动器热衰退，制动跑编，轮胎过 热爆胎现象的发生，因此提高了汽车的行驶安全性，能提高汽车下长坡的平均 行驶速度和增强驾驶员下长坡时安全感；( 2 ) 可延长制动衬片使用寿命，减少 制动器的维修保养工作量，从丽使得安装有缓速器的汽车具有良好的使用经济 性；( 3 ) 可减轻驾驶员的工作疲劳强度，制动过程柔和、平稳，提高了车辆的乘 坐舒适性；( 4 ) 显著减少制动时噪声和粉尘污染，提高汽车环保性。 电涡流缓速器是一种符合现代汽车向高速、安全、环保、舒适潮流方向发 展的辅助系统，据资料显示，缓速器和a b s 等安全设备将会是国外、载重货车、 客车和轿车的基本配置。 1 1 2 国内外现状 国际上，电涡流缓速器的著名生产厂商有：法国的泰乐马( t e l m a ) 、西 班矛的弗瑞纳萨( f r e n r l s a ) 和克莱姆( k l a m ) 、德国的克罗伏特( k l o f t ) ，以 及日本的东京部品工业( t o k y o b u h i k o g y o ) 和五十铃住友( i s u z u s u m i t o m o ) 等，其第四代产品具有自发电功能，扭矩无级输出，体积小，重 量轻等优点，被广泛应用于各种型式的车辆。 总体上讲，电涡流缓速器在我国研制、生产和应用尚处在起步阶段f 6 】。虽 然早在1 9 6 4 年上海客车厂曾研制过电涡流缓迹器。但由于种种原因，电涡流缓 2 第一章绪论 速器在国内的应用并没得到应有的重视。随着现在汽车的驱动功率、车速以及 载荷的增加使得车轮制动器的负荷进一步加大，加之人们对汽车的安全性、使 用经济性、舒适性和环保性重视，电涡流缓速器的作用在国内汽车界也日益受 到重视。 国内目前生产和进口产品，大部分处于较低技术水平档次。主要表现在： ( 1 ) 励磁电能仅由蓄电池提供，长期使用，将导致消耗的电能难于得到及时地 补充；部分进口产品安装有发电绕组，经驱动器整流后提供励磁，但在较低车 速( 。捌动管路压力在某一极限值。 忍以内时，路面制动力足以克服摩擦力矩推动车轮滚动，当超过忍极限值后， 路面制动力不再随制动管路压力增大而增大，这是由于路面附着力制约了路面 制动力的继续增大。即民艺= c 妒，为当路面制动力达到最大值瓦m 勰= f 妒，车轮将“抱死 停转而产生滑动，这就有可能导致车速反而加大，由 于每个车轮的受力和方向都不平衡，汽车的方向不可控，是非常危险的情况沁3 。 为此，人们研制了一种“汽车防抱死制动系统 ( a b s ) ，a b s 是根据汽车在 不同昀车轮滑移率下所对应的轮胎与地面闻的附着系数的变化情况焉研制的汽 车安全制动系统，该系统可以根据路面状况，将车轮的滑移率控制在1 0 2 0 的范围内，从而使制动时轮胎附着力保持在最健状态，充分发挥制动效能， 使汽车具有良好的抗侧滑能力，并获得较短的制动距离，可有效地降低交通事 故的发生，提高车辆行驶的安全性。 a b s 并非每当踩制动踏板时都工作，而是在急刹车或摩擦系数小的路面上， 当制动时汽车制动力大于轮胎与路面的附着力，使制动将要抱死时，防抱死装 置才开始工作。在附着系数较大的路面上点刹和慢刹车，防抱死装置不起作用， 如同普通液压制动系一样工作。 随着汽车工业技术的发展，汽车发动机功率逐年增加，车速大幅度提高， 意味着在同样的制动条件、同样的时间内，制动器要产生更多的热量，过量的 热量会使制动器发生热衰退，以致制动效能降低甚至失效。然而现在的车辆制 动器虽经多方谣改进，如鼓式制动改为盘式制动、加宽制动鼓和摩擦片的尺寸， 改变摩擦片材料配方等，都未能从檄本上解决闻题。因势受空闻尺寸的限制， 现有车轮制动器的散热能力始终是有限的【9 】。 近年来，国内商用汽车重型化、高档化趋势明显，越来越多的尖端科技将 应用于现代公路交通，而缓速器作为一种辅助制动装置的先进技术应用于道路 运输汽车，并且可与的a b s 兼容，其诸多优点使其成为长途客车、公交客车和 重型卡车上的基本配置。 2 1 。2 汽车辅助制动装置的分类 常用于车辆的辅助制动装置主要有以下5 种形式。 广东工业大学t 学硕上学位论文 1 发动机缓速器。对行驶中的汽车的发动机停止供给燃料，并将变速器挂 入某一前进挡，使汽车得以通过驱动轮和传动系带动发动机曲轴继续旋转【1 0 】。 这样，本来是汽车动力源的发动机就变成消耗汽车动能从而对汽车起缓速作用 的空气压缩机。在这种情况下，汽车对发动机输人的动能大部分耗损在机内的 进气、压缩、排气过程中，小部分消耗于对水泵、油泵、空压机、发电机等附 件的驱动上。 2 。发动机排气辅助制动装置 汽车在挂挡前进时，对发动机停止供油，汽车前进的惯性力通过驱动轮和 传动系反带发动机曲轴继续旋转。这样，发动机就像空气压缩机那样，对汽车 起到了缓速的作用。为了加强发动机这种缓速作用，可设法增加进气、排气、 压缩等方面的阻力，如阻塞迸气或排气通道或改变进、排气门启闭时刻等。其 中，沈较常用的方法是在发动机排气管处设置排气阎。在需要缓速时，关闭排 气阀，阻塞排气通道。该方法又称为排气缓速。 3 。电涡流缓速器 电涡流缓速器结构如图2 2 所示。是由转动的圆盘和固定的磁极、线圈组 成。1 一定子外壳；2 一电磁铁；3 一转子盘；a 一接变速器；b 一接主减速器。 线圈在通电后产生磁场，由于圆盘在磁场中转动，因此有电涡流流过，电涡流 和磁场间因相互作用而产生方向相反的制动力。其中随电涡流而产生的热量由 装设在圆盘上的散热风道散发到大气中。 电涡流缓速器的发展趋势是：轻量化、集成纯、电子控制、鲁带发电机。 4 。永磁铁电涡流缓速器 永磁铁电涡流式缓速器与使用电磁线圈的电涡流缓速器工作原理相同，使 用永久磁铁替换了励磁模块，较电涡流缓速器有以下优点： ( 1 ) 永久磁铁比电磁铁质量轻，体积小，质量与体积均为电磁铁的1 8 左右； ( 2 ) 不消耗电能，不用考虑发电机或蓄电池的容量大小，永磁式不会发热； ( 3 ) 永久磁铁的磁力很强，在高速区制动力也不会低下。 但是永磁式力矩不可调节，安装控制较为麻烦。 5 。液力缓速器【1 1 1 液力缓速器的主要零件是固定叶轮和旋转叶轮，一般安装在变速器处。当 汽车需要缓速时，汽车通过驱动桥和变速器等反带液力缓速器的旋转叶轮转动， 8 固定叶轮通过流动的液体对旋转叶轮产生阻力矩，使汽车缓速。 2 2 电涡流缓速器结构及工作原理 2 2 1 电涡流缓速器的机械结构 缓速器本体的机械结构如图2 2 所示。1 一转子盘；2 一铁心；3 一励磁线圈； 4 一转子轴；5 轴承；6 一固定架；7 一气隙；8 一接线柱。缓速器定子上有8 个由高导磁材料的磁极作为磁轭，呈圆周分布形式均匀安装在优质铝板上，8 个励磁线圈套于磁极上，圆周上相对的2 个磁极的励磁线圈为串联连接而形成 的一对磁极，相邻磁极均为j 艺、南相问，这样就形成了相对相互独立的4 对磁 极。转子壹内转子与外转子组成，内外转子均为圆环状，用导磁性能良好的铁 磁材料制成，转子通过法兰盘装置在传动轴凸缘上，可随传动轴自由转动，内 外转子盘和定子磁轭间保持有极小的、均匀的间隙。 广a t 未 【 澎黝”1 0 【菸热， 、3 f1天h z q 【 土登p 【 愁渊：= i 鳓 】 门1 图2 2 电涡流缓速器结构 f i g 2 - 2e d d yc u r r e n tb r a k es t r u c t u r ed i v i s t i o n 2 。2 2 电涡流缓速器的工作原理 车辆缓速或制动时，定子励磁线圈通入直流电流而励磁，产生的磁力线穿 过转子圆盘。根据电磁感应理论，当穿过闭合导线回路所包丽的面积的磁通发 生变化时，在导线回路中将产生感应电流。缓速器的转子从表上看不是一个闭 9 广东t 业大学工学顾十学位论文 合导线，但从微观角度，可以把它看成是一个由数个闭合导线构成的集合体， 这样，当转子转动时，其内部无数闭合导线所包围的面积内的磁通量就发生变 化，从而在转子内部产无数段感应电流，这种电流称为涡电流f 2 7 】。涡电流的作 用有两个方：一是这些涡流在具有一定的电阻的转予内部流动时会产生热效应 蔼散失，也就是车辆的动能就通过感应电流转化为热能，并通转子风叶产生的 强劲风力将热量快速散发蹬去；二是涡流会产生的磁场，根据它自墨所产生合 导线网路中所产生的感应电流总是向弓l 起电磁感应的变化，也就是说转子内部 涡流所产生的新的磁场与定子线圈产生方向相反的、反抗转子的转动，这样就 产生了制动力矩。 2 2 3 电涡流缓速器制动力矩 建立一个较为准确的数学模型对于系统性能的仿真是很重要的，电涡流缓 速器虽然不是一个十分复杂的机械装置，但是它涉及到了动力学、电磁理论和 传热学理论，制动力矩的计算是一个很复杂的工作。对于电涡流缓速器数学模 型的理论，在国外文献1 2 - 2 5 1 中的关于电涡流缓速器的计算时常用到经验和分析 相结合的方法，目前国内有入提出计算制动力矩的方法，公式【2 q 如下： t = 3 6 0 4 互n p ( p l a 。) 2 7 3 ( z d n i ) 2 石 e 7 。一。；。，兰l 、，1 式。万亍 ， 2 夕癖2 。、2 ( 2 2 ) l g 气隙间距；( 1 ) 转子角速度。d 铁心直径； r 1 一一励磁线圈中心点的半径； n p 一磁极对数； n 一励磁线圈绕组匝数； i 励磁线圈绕组电流： p 转子盘电阻率；l a 卜转子盘相对磁导率； 当车速较大时，鲁发电撬在一定电压下的输出电流大于王，则将一部分电 能用于制动，剩下的电能储存到蓄电池；当车速较慢时，蛊发电机在一定电压 下的输出电流小于i ，则从蓄电池输出电流到绕组线圈产生励磁电流，从而最 大限度地利用能源，保证制动力输出。 1 0 第二章汽车缓速器的工作原理 2 2 4 电涡流缓速器的传统电控方法 电涡流缓速器的传统控制方式采用继电器控制【2 7 】。传统的手控开关一般分 4 个档次。开关处于0 挡位时，线圈全部断电；处于第l 挡位时，继电器盒内1 号继电器吸合，则第一组励磁线圈通电，这时缓速器产生的制动力矩约为最大 力矩的2 5 ；处于第2 挡位时，继电器盒内1 号与2 号继电器吸合，则第一组 和第二组励磁线圈同时通电，这时电涡流缓速器产生制动力矩约为最大力矩的 5 0 ；第3 、第4 档位依此类推。 电涡流缓逮器还有一个脚控开关，当驾驶员踩下制动踏扳时，电涡流缓速 器自动起作用，并根据制动踏板的行程，脚控开关上4 个压力传感器依次接通， 其作用与手控开关一样。继电器盒内有4 个大电流继电器，分别为每组励磁线 圈提供励磁电流。 2 3 本章小结 本章介绍了汽车劁动力学原理，引出汽车防抱死制动系统的重要性。介绍 了目前汽车的五种辅助制动装置，分别指出了各自的优缺点；介绍了电涡流缓 速器工作原理、机械结构和传统的电控方法。 广东t 业人学t 学硕士学位论文 第三章b p 神经网络p i d 控制器的设计 传统的p i d 控制在线性菲时交系统能够取得较好的控制效果，僵在系统运 行工况有较大波动时，由于纯滞后及参数变化的影响，难以稳定及时缝对系统 进行控制。 为此，有人提出模糊加自寻优t 2 s l f f q 控制方法，效果如图3 1 所示，从图可 以看出，该方法虽然比传统p i d 超调量要小，但响应速度稍慢。 图3 1 模襁加色寻优控制效果 f i g 3 一lr e s u l to ff u z z ya n ds e l f - o p t i m i z i n gc o n t r o l 利用b p 神经网络的囱学习特性，结合传统的p i d 控制理论，构造b p 神 经网络p i d 控制器，通过控制器参数的自动调整实现对时变、非线性系统的控 制。该方法结构简单，能适应环境变化，有较强的鲁棒性。 3 一缓速器的b p 神经网络p l d 控制 传统的p i d 控制器因其具有结构简单、容易实现等特点，在实际工业过程 中仍被广泛采用，是种比较有效的控制方法。但，当被控对象存在非线性、 强耦会、和时变特性时，通常难以实现令人满意的控制效果。缓速器是一个非线 性系统、强耦合、模型比较复杂的对象，对这样的非线性系统很难精确地建立 箕数学模型；其次在缓速刹车系统中，由于较强的干扰和环境变化的存在，要 1 2 求缓速刹车系统必须具有很强的鲁棒性和实露性，敖传统的p i d 控制器不能满 足不系统要求。 近年来，模糊逻辑控制技术得到了迅速发展，然而由于模糊逻辑控制从本 质上来说是基于人的经验，但是这种先验知识一般来说往往是比较缺乏或不全 面的，这就为模糊逻辑控制的有效实施和精度的提高带来了一定的困难豫鲥。 神经网络在智能系统中的非线性建模及其控制器的设计、模式分类与模式 识剐、联想记忆和优化计算等方面体现了强大的应用潜力，利用神经网络对信 息处理具有自学习和皇适应的特性对p i d 参数进彳亍优化处理，达到最优控制效 果，适用于非线性的、难于建立精确数学模型的汽车电涡流缓速器控制系统。 3 2b p 神经网络p l d 控制原理 3 2 1b p 神经网络p i d 控制器的构成 b p 神经网络p i d 控制器的结构如图4 2 所示，它由常规p i d 控制器和神经 网络n n 两部分组成，b p 神经网络具有逼近任意非线性函数的能力p o l ，通过 自身的学习不断作加权系数的调整，从而找到系统稳定状态下的最佳p 、l 、p 控制参数，进而直接对速度进行闭环控制。 图4 - 2b p 神经网络p i d 控制器结构 f i g 。4 2c o m p o s i t i o no fb p n e u r a ln e t w o r kp i d 广东1 二业大学t 学硕上学位论文 3 2 2b p 神经网络模型 通常b p 神经网络具有m 个输入节点和l 个输出节点，可以看成是从鹾维 欧氏空间到l 维欧氏空间的非线性映射，这种映射是高度非线性的，可以逼近 任意非线性的映射，从而为非线性系统的辩识提供了一种简单有效的一般性方 法。 本文的静神经网络是一个3 层的静网络，如图4 - 3 ，它有3 个输入层节 点，其输入为x ，、x 。和x 。，分别对应三个速度增量误差e ( 站一e ( k - 1 ) 、e ( k ) 和 e ( k ) 一2 e ( k 1 ) + e ( k 一2 ) ；s 个隐含层节点；3 个输出层节点，分别对应p i d 控制 器的3 个可调参数k 。、k ；和k 。 x k k l k 。 图4 - 3b p 神经网络结构 f i g 4 3s t r u c t u r eo fb pn e u r a ln e t w o r k b p 网络的学习过程由正向和反向传播两部分组成。在正向传播过程孛，每 一层神经单元的状态只影响到下一层神经网络。如果输出层不能褥到期望输出， 也就是实际输出与期望输出有误差，那么转入反向传播过程。将误差信号沿原 来的连接通路返回，通过修改各层神经元的权值，逐次地向输入层传播，去进 行计算，蒋经过正向传播过程，这样经过两个过程的反复作用，使得误差信号 最小。实际上，当误差达至l 入们所希望的要求时，网络的学习过程就结束了。 1 4 第三章b p 神经网络p i d 控制器的设计 3 2 3b p 神经网络p i d 控制算法 经典增量式数字p i d 控制算法为玲1 】： u ( k ) = u ( k - 1 ) + 材( 露) ( 4 1 ) a u ( d = k p ( p ( 七) 一e ( k 一1 ) ) + t 曰( 七) + 吒( 口( 意) - 2 e ( k 一1 ) + p ( 七一2 ) ) ( 4 2 ) 式中，k 。，k j ，k d 分别为比例、积分和微分系数。 采用三层b p 网络，其结构如图4 3 所示。 网络输入层的输入为： d ，= x ( 力= 1 , 2 ，m ) ( 4 3 ) 其中，输入变量的个数m 取决予被控系统的复杂程度。 网络隐含层的输入、输出为： m 嬲2 ( 囊) = 蟛q d j = o ( 4 。4 ) 研2 ( 露) = f ( n e t ) 2 ( 霓) ) ( i = l ，2 ，q ) ( 4 。5 ) 式中，w 孑为隐含层翻权系数；上蹙标( 1 ) 、( 2 ) 、够) 分别代表输入层、隐含层和 输出层。 隐含层神经元活化函数取正负对称的s i g m o i d 函数： 似) = 删加筹 ( 4 。6 ) 网络输出层的输入输出为： q n e t ) 3 ( j j ) = 嫒磷2 ) ( 4 7 ) j - - o 科3 ( 量) = g ( n e t 7 ( k ) )p = 1 , 2 ，3 ) 科3 ( 露) = k 口 ( 4 8 ) 0 3 ( 七) = k ， ( 4 9 ) 叫3 ( 七) = k ( 4 1 0 ) 输出层输出节点分别对应三个可调参数露p ，t ，k d 。由于七p ，k ，勤不能 为负，所以输蹴层神经元的活化函数取菲受的s i g m o i d 函数： 贴) = 互1 ( 1 + 鼬( 砌= 寿 ( 4 i i ) 广东工业大学工学硕士学位论文 取性能指标蕊数为： 互( 露) = ( r i n ( k ) 一y o u r ( k ) ) 2 ( 4 12 ) 按照梯度下降法修正网络的权系数，即按e ( k ) 对加权系数的负梯度方向搜 索谲整，并附加一使搜索快速收敛全局极小的惯性项： 埘卜叩器拟吼) ( 4 1 3 ) 式中，理为学习速率；口为惯性系数。 筹=器器而06u(k)t飘+鬻他幽10y o a u ( k0 0 f 3 ) a n e t 3 ) 一=一：一=一 、1 1 ， 挑j ： 3 ( 尼)( 后)( 七) a 崂( 露) i o n e 两t j 3 ) 吾( k ) ：叫2 ( 后) 却扩( 露) 。一 ( 4 1 5 ) 由于器未知，所以近似用符号函数s g n ( 器) 取代，由此带来计算不 精确的影响可以通过调整学习速率哆来补偿。 ( 4 。王6 ) ( 4 t 7 ) ( 4 1 8 ) 上述分析可得网络输出层权的学习算法为： 蝣( 七) = a a w f 7 ( 七一1 ) + r 6 t ( 3 科2 ( 尼) ( 4 1 9 ) 8 f = e ( k 坶( 器) 器烈删，2 3 ，渔2 。， 同理可得隐含层加权系数的学习算法： w 孑( 露) = 毯w 孑( 是一1 ) 专露辞2 噬1 ( 嘉) ( 4 2 1 ) 彭2 = ，| ( 嬲于；( 粉) 霹w ( 露) = l ，2 ，圆 ( 4 - 2 2 ) 式中，g ( ) = g ( x ) ( 1 一g ( x ) ) ，f ( ) = ( 1 - f 2 ( x ) ) 2 。 1 6 卜 文 骀 防 叫 也 篙和 3 3b p 神经网络p i d 控制器的实现 3 3 。1b p 神经网络p i d 控制器的设计步骤及流程图 根据前面的叙述知，要实现基于b p 神经网络的p i d 控制器，大概有两部分 的工作，即是b p 神经网络的设计和p i d 的实现，具体步骤如下： ( 1 ) 确定卯网络的结构，即确定输入层节点数麓和隐含层节点数q ，并给出 各层加权系数的初始值磷( o ) 和堙( o ) ，选定学习速率翟和惯性系数g ，此时 k = l ( 2 ) 采样得至u r ( k ) 和y ( k ) ，计算该时刻误差e ( k ) = r ( k ) 一y ( k ) ； ( 3 ) 计算神经网络n n 各层神经元的输入、输出，n n 输出层的输出即为p i d 控制器的三个可调参数k 口，k ，k d ； ( 4 ) 计算p i d 控制器的输出u ( k ) ； ( 5 ) 进行神经网络学习，在线调整热权系数碟) ( 嘉) ，皤( 凳) ，实现p i d 控 制器参数的宣适应调整； ( 6 ) 置k = k + l ，返回( 1 ) 。 参考上述设计步骤，得到b p 神经网络p i d 控制器c 语言程序流程图，如 图4 4 所示，源代码见附录。 1 7 广东工业大学工学硕士学位论文 图4 4b p 神经网络p i d 控制器实现流程图 f i g 4 - 4f l o wd i a g r a mo fb pn e u r a ln e t w o r k 3 3 2b p 神经网络p i d 控制器的m a t l a b 仿真 为了验证b p 神经网络的控制效果，首先确定b p 神经网络的结构，其中输入 层节点数为3 、隐含层节点数为5 、输出层节点数为3 ，隐含层和输出层的加权系 数的初始值如表4 1 和表4 2 ，学习速率，7 为0 2 0 ，惯性系数口为0 0 5 ，选取一阶 滞后系统g ( s ) = 羔为近似数学模型。选定输入信号为正弦波，利用m a t l a b u 。i s l 编写m 文件得仿真波形如图4 5 、图4 。6 和图4 7 所示。 4 1 隐含层加权系数初始值 t a b 4 - 1i n i t i a l i z a t i o no f h i d d e nl a y e rw e i g h t i n gc o e f f i c i e n t 第三章b p 神经网络p i d 控制器的设计 1o 1 6 9 60 1 0 1 30 7 5 4 30 。0 8 2 40 0 3 7 9 2。0 。5 7 5 60 。6 0 2 4 。l 。3 8 2 0 0 。7 4 6 30 。7 4 0 6 30 。8 0 2 3。0 4 5 9 6 0 6 4 3 7 0 1 8 5 90 5 6 6 0 4 - 2 输出层加权系数初始值 t a b 4 - 2i n i t i a l i z a t i o no fo u t p u tl a y e rw e i g h t i n gc o e f f i c i e n t 卜墅。! l23 l0 5 5 7 60 。4 1 4 60 。8 2 0 1 20 。1 6 1 60 3 9 4 90 3 5 6 6 30 6 8 2 00 7 3 5 20 2 6 7 2 40 2 4 1 60 1 2 0 5 0 1 9 6 2 5 o 1 3 2 50 3 5 0 8 0 5 6 3 2 图4 5p i d 参数的宙调整 f i g 4 4s e l f - a d j u s t i n go fp i dp a r a m e t e r s 1 9 图4 。6b p 神经网络p i d 恒速控制效果 f i g 4 - 5r e s u l to fc o n s t a n tv e l o c i t yb a s e do i lb pn e u r a ln e t w o r kp i d 图4 7常规p i d 恒速控制效果 f i g 4 6r e s u l to fc o n s t a n tv e l o c i t yb a s e do nc o n v e r t i o n a lp i d 由仿真曲线可以看出，基于b p 神经网络的p i d 控制实现了控制参数的在线 自动调整，调节快速，调整时间短，稳态误差小，具有很好的控制特性，通过 此控制器，可以实现缓速器的恒速策略。 3 3 3b p 神经网络p i d 控制器的硬件加速 通常设计者针对程序出现瓶颈的地方增加定制指令或者硬件加速器，但这 2 0 第三章b p 神经嬲终p i d 控制器的设计 攀皇霉鲁皇皇燃篇詈暑皇詈掌誊皇暑暑暑鼍糕皇昌詈詈詈燃螺皇皇詈詈霉拦詈詈詈皇暑燃曼i i 哪哪_ _ _ _ 岬一 i i i i i i i 些方法繁复耗时，事实上，n i o si ic 2 h 鸯h 速器可以将a n s ic 源程序代码转换成 用户鲁定义的硬件加速模块。聪n i o si ic 2 h 编译器自动建立并集成硬件加速 器，开发时间由几星期缩短到几分钟【3 2 1 。c 2 h 编译器的特点如下： ( 1 ) 支持大部分的a n s ic 代码和c 语言结构，如指针、堆栈、结构体、全局 和局部变量、循环、函数调用等； ( 2 ) c 2 h 编译器可以将c 语言的语法成分映射为硬件结构，而且用户可以控 制这些硬件加速结构； ( 3 ) 由于n i o si d e 整合了c 2 h i 具，用户无需学习新的开发环境； ( 4 ) c 2 h 可以利用s o p cb u i l d e r 将加速好的硬件结构自动连接至l j a v a l o n 总 线上，无需用户手动处理； ( 5 ) c 2 h 可以产生硬件结构、资源利用率等详细报告。 开发人员首先在a l t e r a n i o si i 处理器中开发和调试c 语言算法，而后将 分析出的c 程序瓶颈代码转换成硬件加速模块。硬件加速模块被挂墅l j a v a l o n 总 线上，作为用户外设来使用，由此实现了放软件运行算法到硬件加速处理的转 换过程。硬件加速器与系统的关系如下图4 堪所示。 a v a l o n 从机信号 气 ， 控制 土土土 k d 渔 人 加速逻辑 d n 橇 ， 介硬粤。一介 a v a l o n 主机读 a v a l o n 主机写 图4 8c 2 h 硬件加速器 f i g 4 8c 2 h h a r d w a r ea c c e l e r a t o r 采用n i o si ic 2 h 进行设计非常简单，所需要做的工作是： ( 1 ) 分析软件代码，确定出现性能瓶颈的函数。 2 1 广东工业大学工学颁士学位论文 ( 2 ) 在n i o si ii d e 中高亮显示所需的函数，右键单击加速。 ( 3 ) 查看详细的c 2 h 编译器报告文件，确定简单的c 代码优化。 ( 4 ) 进行优化，直到达到所需的性能。 为了对比加速前后的性能差异，编写如下测试代码： t i m e l = a l t _ t i m e s t a m p 0 ；取定时器值 8 耻i d _ n o _ c 2 h 0 ；寒硬件刍嚣速 t i m e 2 = a l t _ t i m e s t a m p 0 ；取定时器值 p r i n t f ( “b p _ p i d _ n o _ c 2 h 一l d ”，t i m e 2 一t i m e l ) ；前后定时器差值 t i m el = a l l t i m e s t a m p 0 ；取定时器值 b pp i d t i m e 2 = a l t _ t i m e s t a m p ( ) ；取定时器值 p r i n t f ( “b p ? i d _ c 2 h 一l d ”，t i m e 2 一t i m e l ) ；前后定时器差值 屏幕分别输出： b p 二p i d n o c 2 h = 9 18 b p p i d c 2 h = 4 2 6 由此可见，经过硬件加速后，性能得到很大的提高。 3 6 本章小结 本章分析了传统的p i d 控制方法在非线性系统控制中遇到的困难，弓l 出 b p 神经网络p i d 控制方法，通过b p 神经网络调节比例、积分和微分三个参数， 以满足非线性系统的控制需求。分析了b p 神经网络p i d 控制器的构成、网络 模型和控制算法，用c 语言实现b p 神经网络p i d 控制器的算法，并利用 q u a r u t s l i 的c 2 h 对其进行硬件加速以提高性能，最后用m a t l a b 仿真以验证其 控制效果。 第四章缓速器控制系统的硬件设计 4 1f p g a 技术的应用 4 1 1f p g a 简介 f p g a 是英文f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 的缩写，器p 现场酉编程门阵 列，它是在p a l 、g a l 、e p l d 等珂编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作 为专用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半定制电路焉出现的，既解决了定制电 路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点嘲。 通常f p g a 主要由l a b 、i o 块、r a m 块和可编程行列连线组成，如附录图 5 - 1 所示。一个l a b