吉林大学学报(工学版) ›› 2014, Vol. 44 ›› Issue (4): 1042-1050.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb201404022

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一种模型预测控制器的FPGA硬件实现

许芳, 靳伟伟, 陈虹, 张振威   

  1. 1.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室, 长春 130022;
    2.吉林大学 通信工程学院, 长春 130022
  • 收稿日期:2013-03-11 出版日期:2014-07-01 发布日期:2014-07-01
  • 通讯作者: 陈虹(1963-), 女, 教授, 博士生导师.研究方向:预测控制及汽车电子控制.E-mail:chenh@jlu.edu.cn
  • 作者简介:许芳(1987-), 女, 博士研究生.研究方向:模型预测控制及FPGA技术.E-mail:xufang11@mails.jlu.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金重点项目(61034001); “973”国家重点基础研究发展计划项目(2012CB821202); 教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队项目(IRT1017); 吉林省科技发展计划重大专项项目(20116001)

Hardware implementation method for model predictive control on a FPGA chip

XU Fang1, 2, JIN Wei-wei2, CHEN Hong1, 2, ZHANG Zhen-wei2   

  1. 1.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control, Jilin University, Changchun 130022, China;
    2.College of Communication Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China
  • Received:2013-03-11 Online:2014-07-01 Published:2014-07-01

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摘要： 针对快速动态系统对模型预测控制(MPC)的微型化和高实时性的需求, 提出了一种MPC控制器的现场可编程门阵列(FPGA)硬件实现方法。MPC中的二次规划(QP)问题采用粒子群优化(PSO)算法进行求解。通过分析算法的特点, 对算法计算步骤进行循环展开、流水线等优化处理, 充分利用FPGA的硬件并行计算特性提高MPC的在线计算性能, 最终得到MPC控制器的最优实现方案。最后以电子节气门的跟踪控制为例, 在实验平台上进行了实时仿真实验, 验证了基于FPGA硬件实现方法设计的MPC控制器的有效性和实时性。

关键词: 自动控制技术, 模型预测控制, 粒子群优化, 现场可编程门阵列, 硬件实现

Abstract: Miniaturization and high computational performance are demanded when Model Predictive Control (MPC) is applied to fast dynamic system. In order to meet these requirements, a novel hardware implementation method for MPC on a Field Programmable Gate Array (FPGA) chip is proposed. The Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm is employed to solve the Quadratic Programming (QP) problem formed in MPC. By analyzing the characteristics, the MPC algorithm is optimized by parallelism-loop unrolling and pipelining to obtain an optimal MPC controller. Real-time simulation tests of electronic throttle control are performed to verify the MPC controller. The results show that the proposed scheme can improve the computational performance of MPC.

Key words: automatic control technology, model predictive control, particle swarm optimization, field programmable gate array, hardware implementation

中图分类号: 

  • TP273
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