1绪论
1.1课题研究背景及意义
1.1.1课题概述
煤矿企业机电设备多、功率大、能耗高，是国家确定的九大重点耗能行业之一，这些能耗中绝大多数为大型设备的电能消耗。近年来随着矿井井型的增大，设备也逐步向大型化、大功率化方向发展，能耗随之大幅度上升，因而对煤矿企业节能尤其是节电提出了新的更高要求。我国是一个能源欠缺的国家，能源的合理节约使用不仅是一个经济问题，而且已成为重要的战略问题。加强节能管理和计量管理，加快科学技术进步和企业内部管理，努力降低电力在吨煤生产中的成本，实现国家提出的创建资源节约型、环境友好型社会，已成为当前摆在我们面前的迫切任务。
当前很多智能控制系统采用单片机进行控制，单片机实现系统的结构比较复杂，特别是运算速度比较慢，在处理一些实时性较强的算法时往往显得力不从心，并且系统的稳定性和抗干扰性不强，因此在对控制要求较高的场合是不被接受的。而基于FPGA的控制系统可以很好的解决这些问题。以FPGA为核心的控制系统的设计优势如下：
(1) FPGA的可靠性高。FPGA采用了先进的编程工艺和合理的内部互连结构，这样使得FPGA具有较高的可靠性，同时避免了 PC可能跑飞以及MCU复位不可靠等缺点。
(2)性能好，运行的速度更快，成本更低。
(3)设计效率高。ALTERA公司的FPGA可以在短时间内完成简单的设计，现场可编程性是他最大的优点所在。如果需要进行修改设计，只需要将设计程序修改之后重新下载即可。
(4)集成度和保密性高。设计者可以在FPGA芯片内实现几乎所有的数字逻辑。这种集成化设计摆脱了引进分立元件的限制，极大的加强了系统的可靠性和保密性，非常利于空间设备的研发。
(5)编程方式更先进。FPGA采用先进的在线路配置和在系统编程技术，这种领先的编程方式使得开发周期大大的缩短了，降低了维护和升级的成本，而有些单片机还在釆用编程器，这对开发效率有着严重的影响。
(6) FPGA的I/O端口较多，并且可以自由的编程、支配、定义其功能，配以硬件描述语言编写的FPGA内部执行软件可以很好的解决模糊控制、采集信号路数等问题。
(7)设计语言和开发工具标准化。
1.2 FPGA的现状及发展趋势
1.2.1电子设计自动化
智能控制是随着非线性、时变复杂被控对象的调整、计算机和人工智能的发展而产生的。一九六五年，美国著名控制论专家Zadeh首先创立了模糊集合论，为解决复杂系统的控制问题提供了强有力的数学工具。一九六六年，Mendel提出了“人工智能控制”的概念。一九六七年，Leondes和Mendel首先使用了“智能控制”一词。二十世纪七十年代是智能控制的形成期。进入二十世纪八十年代后，由于计算机技术的迅速发展以及人工智能的重要领域一专家系统技术的逐渐成熟，智能控制和智能决策的研究及应用领域进一步得以扩大，并且获取了一系列的应用成果。九十年代以来，智能控制的研究势头异常迅猛，每年都有各种智能控制为专题的大型学术会议在世界各地召幵，各种智能控制杂志或者专刊不断涌现。智能控制在很多领域得到了成功的应用，已进入工程化、实用化的阶段。
本文是基于FPGA智能电能控制系统的设计，论文的要内容分为以下儿个章节：
第一章绪论。介绍选题背景以及意义，分别分析了 FPGA和智能控制的现状以及发展趋势，最后介绍了本文研究的主要内容及安排。
第二章FPGA的基础技术和幵发流程。要介绍了 FPGA技术、FPGA的结构和特点、FPGA的设计要求、FPGA的开发语H、FPGA的开发工具QuartusII和FPGA的设计流程。
第三章控制算法。介绍了 PID控制和模糊控制的基本原理和特点，进一步分析了 PID控制器和模糊控制器的设计方法。并对遗传算法的原理和优点进行了简要介绍，对基于遗传算法的模糊控制器做了初步构想。
第四章模糊PID控制器的设计与优化。详细介绍了模糊PID的控制原理，完成了模糊P1D控制器的设计，确定了模糊控制的相关参数，建立了模糊规则表，然后结合模拟退火算法和遗传算法对模糊规则进行了优化。然后建立了常规PID控制系统和模糊控制系统的仿真模型以及基于模拟退火遗传算法优化的模糊控制系统仿真模型并对其进行了仿真和结果比较。
第五章模糊PID控制器的FPGA具体实现，详细介绍了模糊控制器的电路架构和FPGA的具体实现。并利用硬件描述语言实现了各模块功能及进行仿真。
第六章总结。对本课题所做的一些工作进行总结，并提出展望。
2 FPGA与变频调速简介
2.1 FPGA 简介
Xilinx公司的ISE和Altera公司的Quartus II是FPGA常用的两种开发工具软件，本设计采用的是Quartus II开发软件。Quartus II在二十一世纪初推出，其界面友好，使用便捷，提供了一种与结构无关的设计环境，使设计者能方便的进行设计输入、编译处理和器件编程。Quartus II软件提供完整的多平台设计环境，为设计流程的每个阶段提供图形用户界面、EDA工具界面以及命令行界面，具有更优化的综合和适配功能，改善了第三方仿真和时域分析工具的支持。Quartus II还包含了 DSP Builder、SOPC Builder等开发工具，支持系统级的开发，支持NiosII嵌入式核、IP核和用户定义逻辑等。Quartus II软件加强了网络功能，具有最新的Internet技术，可以直接通过Internet获得Altera的技术支持。它还支持原理图、结构框图、Verilog HDL、AHDL和VHDL等方式完成电路描述，并将其保存为设计实体文件；具有完备的电路功能仿真与时序逻辑仿真工具；具有功能强大的逻辑综合工具和芯片平面布局连线编辑功能；利用LogicLock增量设计方法，用户可以建立并优化系统，添加后续模块，还可以进行定时/时序分析与关键路径延时分析。
2.2变频调速
在工业生产中，电机发挥着极其重要的作用，几乎所有的生产机械都需要使用电机来满足日常的生产要求。在众多的电机中，交流异步电机应用的最为普遍，因为交流异步电机拥有价格低廉、体积小、重量轻、运行稳定等优点。但是交流电机也有自己的问题，那就是调速不方便，如何对交流电机进行调速，成为困扰人们的一个难题。令人欣喜的是，经过多年的研究，重要研究出了许多关于交流电机的调速方式，常见的有串级调速、变极调速、定子电压调速、变频调速、转子串电阻调速等。其中，变频调速的效果最好，应用也最广泛。正是由于变频调速技术的快速发展，才使得交流电机调速这一难题得以解决。变频调速技术的基本原理是根据电机转速与工作电源输入频率成正比的关系，通过改变电动机工作电源频率达到改变电机转速的目的。
PID控制是比例、积分、微分控制的简称，是自动控制中产生最早、应用最广泛的一种控制方法。近些年PID控制技术逐渐成熟，对于线性系统能够建立精确模型的系统，采用PID控制可以取得非常良好的效果。同时由于PID控制算法简单可靠灵活性的优点，PID控制被广泛的应用于工业控制系统中。本节主要介绍PID控制算法的基本理论[3]。
本文釆用增量型控制算法，此种算法既可以用并行结构来实现，也可以使用串行结构来实现。以下介绍几种常用的数字PID的硬件实现方法：
(1)串行实现方法。它实现的主要思想是以ALAP(As Last As Possible)结构为基础的，仅仅需要一个加法器和一个乘法器总共两个逻辑算子。在不同的阶段利用这两个逻辑算子进行不同的逻辑计算，这种目的实现还需要依靠有限状态机（FSM)。串行的实现法的优点在于所需资源最少，缺点是速度也最慢。
(2)并行实现法。它实现的主要思想是以ASAP (As Soon As Possible)结构为基础的，其思想理念是用面积（资源）来换速度，优点在于运算速度较快，而缺点是占用资源最多。
(3)混合实现法。它综合了前两种实现法的特点，在速度和面积方面进行折中考虑。
(4) D-A法。采用D-A法就是把乘法器用查找表来代替，从而充分利用了FPGA查找表的资源。它的优点在于降低了系统的功耗和资源占有率，缺点是结构比较复杂。
3控制算法........................................15
3.1PID 控制....................15
3.1.1模拟PID控制....................15
3.1.2数字PID控制....................16
3.1.3数字PID的硬件实现方法描述....................17
3.1.4数字PID的FPGA实现....................17
3.2模糊控制....................18
4模糊PID控制器设计与优化....................24
4.1模糊PID控制器的设计....................24
4.1.1模糊规则表的设计....................24
4.1.2 PID参数在线修正....................26
4.1.3联合Matlab实现查表法....................27
4.2模糊PID控制器的仿真....................27
5硬件设计........................................38
5.1模糊PID控制的电路架构....................38
5.2各模块的设计以及FPGA实现....................39
6智能控制器在煤矿节能系统中的运用
6.1控制系统框图
输出电路模块的功能就是将模糊PID控制器的输出转化为对转速的控制，主要是PWM模块部分和变频调速部分。模糊控制器通过对给定信号与实际信号进行对比计算后输出PWM波形。PWM(Pulse Width Modulation,脉宽调制)技术是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，由于其具有的各种优点，已被广泛的应用在多种领域里。基于FPGA实现的PWM控制器具有控制精度高、结构简单、开关频率可调、响应速度快、接口简单、易修改、可现场编程等特点，不仅可作为一个独立的功能模块，而且还可以实现多路PWM发生器。采用FPGA设计PWM也就是设计PWM输出方波的占空比变化，也就是实现占空比可调。PWM的结构如图24所示，主要分为三个部分：计数器、寄存器或者存储器以及比较器。
由仿真波形图25可以看到，当mun取不同的值时，输出信号out的占空比也会相应地变化，num=0时占空比为0%，num=31时占空比为100%，完全符合设计要求，达到了控制效果。
本章简要介绍了基于FPGA的智能控制器在煤矿节能系统中的应用，主要是在通风机变频调速系统中的应用。分别以编码器和变频器为基础构建输入和输出模块，以控制器产生的PWM波形为控制信号通过变频器实现了对通风机变频调速的控制，达到了控制目的和节能的效果。
结 论
本文在控制领域中应用FPGA来实现智能控制，设计并实现了基于FPGA的模糊PID控制器，并在此基础上扩展了一些输入输出等外设接口，完成了基于FPGA的矿山智能电能控制系统的设计，更好的实现了对电能的智能控制。本论文主要研究工作如下：
(1)设计了模糊PID控制器。在分析PID控制理论和模糊控制理论基本原理的基础上，设计了模糊PID控制器。联合MATLAB实现了离线计算在线查表的设计方法。在MATLAB里调用模糊逻辑工具箱，建立该模糊逻辑函数的模型，把模糊逻辑工具箱作为一个独立的模糊推理工具使用，经过推理得到模糊控制查询表，这样就大大降低了 FPGA的运算量，FPGA所要完成的剩佘工作仅仅是把输出的查询表加载到所设计的ROM，最后再利用查表的方法输出。采用此种方法不仅易于实现，仿真效果佳，而且运算速度快。
(2)釆用遗传算法和模拟退火算法对模糊控制规则进行了优化。遗传算法的收敛性好，但是易于早熟，容易找到局部最优解而非全局最优解。配合模拟退火算法加以优化，使得模糊规则得到了很好的优化，大大降低了调节时间和上升时间，超调量基本为零，说明了其控制效果还是比较好的。
由于本人能力和经验的不足，本文的研究工作仍然有不成熟之处，在很多方面尚需要进一步完善和改进。展望今后的研究工作，还有很多方面值得深入探讨和研究：
(1)进一步优化控制算法。比如，为使控制算法获得较好的自学习的性能，还可以在模糊自整定PID控制算法中引入神经网络控制理论。而系统控制性能的进-步增强，主要由神经网络的记忆效果来实现。
⑵釆用FPGA虽然降低了系统的硬件成本，优化了系统的各种性能，但FPGA所建立硬件电路的时序、功能仿真等方面比较复杂，设计手段对控制系统的性能影响很大，需要进一步完善这些方面。
(3)对于控制器的处理速度和精度还可以进一步提高。比如，可以采用带DSP芯片的FPGA器件，以获取更高速度。
(5)实现基于FPGA的片上可编程(SOPC)系统，采用软硬件联合设计，利用各自的优点，充分发挥软件设计的灵活性和硬件设计的高速性。
参考文献（略）
参考文献（略）