溶解氧模糊控制器的FPGA设计与实现.pdf

溶解氧模糊控制器是针对污水处理过程中溶解氧浓度（DO）控制的一种设备，其目的在于实时稳定地维持DO的浓度。由于污水处理过程无法建立精确的数学模型，经典的控制方法无法保证系统的稳定性，因此，模糊控制技术成为实现溶解氧浓度控制的有效手段。模糊控制的优势在于能够处理不精确或不完整的输入数据，模拟人的推理过程，适用于复杂或不确定性问题的控制。 模糊控制器的核心设计思想是将溶解氧偏差E和偏差变化EC作为输入变量，经过模糊化处理后，通过模糊推理得到控制量，再通过反模糊化将模糊控制量转换为精确的输出控制信号，最终控制鼓风机的转速来调节溶解氧浓度。 本文中实现的溶解氧模糊控制器是基于FPGA（现场可编程门阵列）技术，采用了Quartus II 9.1作为开发平台。FPGA的特性是具有高实时性和稳定性，同时采用VHDL硬件描述语言作为开发工具。通过使用Matlab模糊控制工具箱计算出所需的模糊控制表，并结合FPGA的快速处理能力，实现了溶解氧浓度的实时控制。 整个设计过程大致分为以下几个步骤： 1. 通过模拟/数字（A/D）转换采集溶解氧的实际值，与设定值比较，得到误差E和误差变化率EC。 2. 对误差E和误差变化率EC进行量化，转换为适合模糊控制的输入变量。 3. 利用模糊控制规则进行推理，得出模糊控制量。 4. 通过数字/模拟（D/A）转换将模糊控制量转换为模拟信号，控制鼓风机的转速。 在模糊控制器的设计中，将输入的精确量进行模糊化处理是重要的一步。本设计为二阶模型，将溶解氧偏差E的连续论域设定为[-2, 2]，偏差变化EC的连续论域设定为[-4, 4]。相对应的离散论域分别选择为[-6, -5, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6]和[-4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4]，以便于进行模糊处理。 查表法是实现模糊控制器中一种非常实用的技术方法，它通过预先计算好的控制规则表来确定控制输出，这样可以大幅减少实时计算的复杂度，并提高控制器的反应速度。在本文的设计中，模糊控制表的计算利用Matlab模糊控制工具箱完成，并在FPGA设计中得到应用。 实现上述溶解氧模糊控制器的FPGA设计需要考虑到硬件资源的分配、时序控制和逻辑设计等因素。cyclone FPGA器件EP1C3T144C8因其高时钟频率、丰富的逻辑单元和灵活的I/O配置，被选作实现溶解氧模糊控制器的硬件平台。 这项研究通过FPGA和VHDL语言的结合，设计并实现了一个能够在污水处理过程中实时、稳定控制溶解氧浓度的模糊控制器。仿真结果证明了该控制器的有效性，为污水处理自动控制提供了一种新的设计思路和方法。