基于Matlab模糊控制器HDL代碼的自動(dòng)生成

諸葛俊貴

(上海師范大學(xué)精密機(jī)電系統(tǒng)與控制工程研究室，上海 201418)

經(jīng)典和現(xiàn)代控制理論都是建立在被控對(duì)象具有精確數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，而實(shí)際應(yīng)用中的許多系統(tǒng)很難用精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述，難以建模，無(wú)法確定控制過(guò)程的傳遞函數(shù)和狀態(tài)方程［1］。而模糊控制在處理這類(lèi)問(wèn)題上具有明顯優(yōu)勢(shì)，尤其對(duì)那些控制精度要求不高和需要緊跟環(huán)境變化的系統(tǒng)。

隨著FPGA技術(shù)的快速發(fā)展，F(xiàn)PGA在智能電子產(chǎn)品、智能家居、智能交通等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但在FPGA上直接實(shí)現(xiàn)模糊控制算法比較困難，由于Matlab的強(qiáng)大功能，可以借助Matlab的Simulink、Fuzzy Logic和HDL Coder等工具間接快速地自動(dòng)生成模糊控制器的HDL代碼。

1 Fuzzy Logic工具箱設(shè)計(jì)模糊控制器

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖且獙⒃O(shè)計(jì)的模糊控制器用Matlab自動(dòng)生成 HDL代碼，以用于 FPGA中。由于用 Fuzzy Logic設(shè)計(jì)的模糊控制器tank.fis嵌入到Simulink中的Fuzzy Controller元件中不能自動(dòng)生成HDL代碼，故采用Lookup Table來(lái)設(shè)計(jì)模糊控制器以便用Matlab內(nèi)嵌的HDL Coder自動(dòng)生成HDL代碼。

實(shí)驗(yàn)按照Demos中的舉例Water Level Control in a Tank來(lái)設(shè)計(jì)模糊控制器的，這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)二維mamdani模糊控制器。其輸入變量有兩個(gè)分量，偏差e和偏差變化率rate=de/dt，一個(gè)輸出量u。偏差e為給定液位與實(shí)際輸出液位的偏差，命名為level，偏差變化率就是偏差隨時(shí)間的變化率，輸出量為閥門(mén)的開(kāi)度，這里為valve，該模糊控制器有5條控制規(guī)則。

對(duì)于輸入變量level有3個(gè)模糊子集high、okay和low覆蓋在模糊論域［－1，1］上，輸入變量rate同樣有3個(gè)模糊子集negative、none和positive覆蓋在模糊論域［－0.1，0.1］上，輸出變量valve則有5個(gè)模糊子集close_fast、close_slow、no_change、open_slow 和 open_fast覆蓋在模糊論域［－1，1］上。

2 用查找表設(shè)計(jì)模糊控制器的步驟

2.1 制作輸入輸出變量的隸屬度矢量表

首先，從圖2看出兩輸入變量level和rate的隸屬函數(shù)都是高斯函數(shù)且high、okay和low參數(shù)分別為［0.3 －1］、［0.3 0］和［0.3 1］，而 negative、none和positive的參數(shù)分別為［0.03 －0.1］、［0.03 0］和［0.03 0.1］，輸出變量valve為三角形函數(shù)，它們的參

表5 水箱液位模糊控制器查找表

下面用一組數(shù)據(jù)的計(jì)算說(shuō)明表5的制定［2］。設(shè)偏差level=－1，變化率rate=－0.1，由表1和表2可以查出:

式(1)表示level=－1時(shí)，其模糊語(yǔ)言值為high(1)，括號(hào)中的值為其隸屬度。同理，可以查出:

由以上兩式語(yǔ)言值按表4可得出規(guī)則:if level is high(1)and rate is negative(1)then valve is close－fast(1)。規(guī)則中valve的語(yǔ)言值隸屬度是根據(jù)規(guī)則前件及規(guī)則蘊(yùn)涵均采用“取小”操作運(yùn)算得到的。即規(guī)則中high和negative的隸屬度均為1，兩者取小，所以后件valve隸屬度也為1。

然后反模糊化，從圖1可以看出輸出隸屬度函數(shù)為對(duì)稱(chēng)三角形，故采用中心值平均法進(jìn)行反模糊化運(yùn)算較簡(jiǎn)單。模糊控制器輸出的精確值為

圖1 輸出隸屬函數(shù)曲線(xiàn)

將valve=－0.9的值填寫(xiě)到控制查找表中l(wèi)evel=－1與rate=－0.1的交叉點(diǎn)，依次類(lèi)推，共需計(jì)算出11×11=121個(gè)數(shù)據(jù)，完成水箱液位模糊控制器查找表的制定。

3 控制器查找表的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)

在Matlab主界面左下角單擊Start按鈕，依次選擇Simulink－Stateflow－New Chart，在彈出的模型文件編輯窗中雙擊Chart。對(duì)輸入的數(shù)據(jù)先判斷對(duì)應(yīng)列的值，再查找對(duì)應(yīng)行，輸出查找結(jié)果，其中嵌入了一個(gè)eM函數(shù)odata=df(idata)，在狀態(tài)流程圖的每一步都調(diào)用了該函數(shù)，該函數(shù)的功能是將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有符號(hào)、16位字長(zhǎng)、小數(shù)部分長(zhǎng)為8位的定點(diǎn)數(shù)輸出。

給Chart模塊添加兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入一個(gè)數(shù)據(jù)輸出，分別命名為col、row和tab_out，再?gòu)膸?kù)中找到in和out模塊，拖入到模型文件編輯器，其中有兩個(gè)in，一個(gè)out，將兩個(gè)in和一個(gè)out與Chart模塊的兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端連接，然后選中所有模塊，右鍵Creat Subsystem，生成子系統(tǒng)。

最后將生成的子系統(tǒng)替換掉原來(lái)sltank.mdl文件中的Fuzzy Controller模塊，連好線(xiàn)后注意在子系統(tǒng)的兩個(gè)輸入和輸出端都要添加covert數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換模塊，輸入端轉(zhuǎn)換器將double轉(zhuǎn)換為sfix16_En8，輸出轉(zhuǎn)換器則相反，否則數(shù)據(jù)類(lèi)型不匹配運(yùn)行出錯(cuò)。

將修改后的模型另存為mysltank.mdl并運(yùn)行，結(jié)果表明與原舉例中效果一樣，而且穩(wěn)定。

4 在Matlab中自動(dòng)生成HDL代碼

在 Matlab 命令窗口中輸入 hdlsetup(＇mysltank＇)，打開(kāi)模型文件mysltank.mdl在窗口菜單Simulation中選中Configuration Parameters，在彈出的窗口中左下角點(diǎn)擊HDL Coder，在右邊generate HDL for下拉菜單選擇Mysltank/Subsystem1，在右下角點(diǎn)擊Apply，再單擊Run Compatibility Checker，檢測(cè)兼容性通過(guò)，最后單擊Generate自動(dòng)生成HDL代碼，在Matlab命令窗口中點(diǎn)擊運(yùn)行生成的鏈接就可打開(kāi)生成的HDL代碼。

5 結(jié)束語(yǔ)

以水箱液位模糊控制為例，詳細(xì)討論了利用Matlab進(jìn)行模糊控制器的設(shè)計(jì)和模糊控制器算法HDL代碼的自動(dòng)生成技術(shù)。該技術(shù)可以用于快速生成模糊控制器算法的 HDL代碼，生成的代碼可以移植到FPGA控制系統(tǒng)。

［1］石磊，陳亞娜.模糊控制器的設(shè)計(jì)研究［J］.機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2007(6):108－110.

［2］席愛(ài)民.模糊控制技術(shù)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

［3］陳靜，周志鋒.基于Nios處理的模糊控制器設(shè)計(jì)［J］.電子科技，2006，19(6):8 －10.

［4］王史春.基于模糊控制算法實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈智能研究［J］.電子科技，2009，22(11):32 －35，56.

［5］黃明慧，王海娟.數(shù)字下變頻的一種新型設(shè)計(jì)方法［J］.電子科技，2010，23(11):55 －58.