提出了一种基于PSO学习、VHDL描述和FPGA实现的NNPID控制器设计方法。首先借助MATLAB系统仿真工具，在闭环控制系统中通过PSO优化算法训练前馈网络，得到优化的NNPID控制器参数；然后在FPGA集成开发环境下进行控制器的VHDL层次化设计，重点研究单个神经元和前馈网络的结构以及实现方式；最后对该控制器进行了闭环时序测试，并在一个具体的FPGA器件上实现。研究结果表明，PSO用于NNPID控制器训练速度快，VHDL描述和FPGA实现该控制器时序验证方便，而且控制器具有较好的鲁棒性。
第11期 臼瑞林等:基于PSO训练的NN-PID控制器设计及其FPGA实现 145 合结果为 Family APEX20KE 5结论 Devce EP20 K200EQC240-3 Total logic elements 3 997/8 320(48%) (1)釆用PSO训练前馈网络算法简单、收敛速度快,能够避 Total pins 82/168(48%) 免局部优化;同忖,NNPD闭环学习也避免了样本提取的困难。 Total memory bits 1 280/106496(1%) (2)随着网络隐层节点数的增多,其在线计算量较大,硬 为检验控制器的控制品质,基于VHDL建立测试基准 ( TEST-BENCH)。VHDL测试通常为开环方式,考虑到控制器 件实现是最理想的方式。研究中,采用ⅥHDL语言在RTL级 设计的实际情况,测试基准采取闭环测试方式史接近实际。当描述神经网络,层次化设计、时序验证方便、易于FPGA实现 (3)本项研究中的,基丁前馈网络(47-3)构成的 NN-PID 被控对象为G(s=4.71×e0/(0.4s+1)(1.25+1)时,NN PD控制器闭坏时序仿真结果如图7所示。其中,LK为系控制器在EP0K200E(20万门)的芯片:占用48%的逻辑单 元。剩余资源将用」数据前期处理,A/,DA的I/O扩展,通 时;RE￡T为复位; De takp, Deltaki, Deltakd为前馈网络输出 信模块及人机界面,从而形成一种较完备的单片控制器。 调整系数;y为系统输出;U为控制器输出。 (4)基于VHDL描述的NNPD控制器可用在SOPC中,从 而组戚具有串/结构的新型单片智能系统芯片 参考文献 [1 al ay B Accelerating System Perfomance Using SOPC Builder[ c] Intemational Symposium on Systemran-Chip, 2003. 3-5 二Nmu [2 Gadea R, Cerda J, et al. Artificial Neural Network Implementation on a Single FPGa of a Pipei ned On-line back popagation[ C]. The 13 th Intemational Symposi um on System Synthesis, 2000. 225-230 图7NN-PID控制器闭环时序仿真 [3 Reay D S. CMAC and B-spline Neural Netwarks Applied to Switche Reluctance Motor Torque Esti mation and Control[ c]. The 29th An- 闭环时序中采样周期设定为2.4uS。图7所示的基」 nua Conference of the ieee ieee iecon, 2003. 2453-2458 VHDL的闭环时序测试结果与图3所示的基于 MATLAB的实[4] Fan Yang Paindavaine M. Impl ementation of an rbf Nera network 时测试结果基本一致,符合设计要求 on Embedded Systems: Real-time Face T racking and Identity verifi FPGA器件采用 ALTERA公的EP20K200EQ0240-3,属 ation J]. IEEE Trans. of Neural Networks, 2003, 14(5): 1162- 1175 于APEX20K系列,这是一款其有多核结构的FPGA心片。其[5] Yasuda K,IeA, Iwasaki n. Adaptive Particle Swarm Optimizat on 特点是组合了功能强大的乘积项结构、杏找表结构及高效存储 [C]. IEEE Internati onal Conference on Systems, Man and Cyberne 结构。该芯片具有20万可用门、8320个LE、106496个RA tcs2003.1554-1559 [6] Gudise V G, Venayagamoarthy G K. Compan son of Particle Swarm 位、240个引琳,其中可用IO引脚为168个。其内核供电电 Optimization and Backpropagation as Training algorithms for Neural 压为1.8V,I/O端口供电电压为3.3V,最高工作频率为 Networks[ C]. Proceedings of IEEE, IEEE SIS, 2003. 110-117 385MH乙,I/O凵输出缓沖崙的拉/灌电流能力25mA。 [7 ALTERA Corporation. QuartusII version 4. 0 Software[ EB / OL].ht- 针对FPGA器件不同的内部结构, ALTERA公司提供了不 tp: //w. al tera. com. cn/literature/ manual /introto_ quartus2. pdf, 2004-0 同的器件配置方式。本系统采用 Byte-Blaster MV并凵下载电 作者简介: 缆,通过JAG口进行在线调试,数据从PC机并口通过电缆下 白瑞林(1955-),男;黑龙江双城人,教授;主要研究方向为智能控制与 载到电路板上。系统经调试无误后,切換到被动串行模式嵌入式系统研究;王利峰(1980-),男,浙江人,硕士研究生,主要研究 (PS)后下载到 EPC2Flash中。EP20K200E数据配置需要两片方向为智能计算与神经网络研究;王建(1981-),男,江苏人,硕士研究 EPCF|ash。 生,主要研究方向为嵌入式系统硏究 ⅡGSS及The5 th iigss works Tsurkov, H, Zimmerman等。白1995年以菜,ⅡGS5已成功举行了四次国标学术会 Ntional Institute for general Systems Studes,mGs逢时而生(1994年1 系统科学是20世纪人类最伟大的科学成就之一。荬国国际一系统论饼究会( Interna 在美国实娑尼成立)。ⅡGSS及其会(孪刊)統科学进展及竝用( a dvances in sγ stems science and Appli cati ons》;A5SA)的领导机构中集中了30多付 E 1F Xn L. A. Zadeh, R. E. Kalman G. 0. Klir, M.D. MesaroviC, Y. Takahara, J. Casti, J.Y. Lin Forrest ,Y. Can Ma,V. Burk ov, W.Wymore,V. IIGSS第次压祘学术会议定」2007午6月14日至17日在中压武汉市华口科技大学目际学术交流中心举行,与GSS中国分会( IIG SS-CB)和华十科技大 学联合承小。会汉顾问和组委员会成员来自中、蓑、莫、法、德、日等20个闰家知地×。协同学会创始人H. Haken( Germany),世界控制论与系统组织总会长 R.Val lee( f rance)I B. Bos( Usa),M. Jackson(UK),K. Kaczorel Pdl and)a Sydow germany)Y. Takahara( Japan ),sY wang( china), x.M. Wu( china)E FE 著名学耆将到会做主苣根告 本次会议征文论题如下 General and mathematical systems theory History of the systems movement Systems methodol ogie Information systems, communi cation systems, compl ex systems, and dynamic systems Systems in engineering and physical sciences Systems in social, biol ogi cal, and humani ty sciences Fuzzy systems, grey systems, pansystems and unascertai ned systems Systems modeling, control management, decisi on-making, and simul ation Approximate reasoning Systems engi neering and desig Envi ronmental studies Real ization and vali dation of systems models Prediction science The contemporary <<Natural-A rtificial >>dual ism 会议评审、录厂的 将分别刊登于下述六种匡期刊之一:四种SCI索引育(DGS,s5, Kybernetes和sMPT)和两和Ilss期刊(ASSA和豆)。The5th IIGSSWorkshφ征文通知已经上弌IIGSS(USA〕网(http://www.iigss.net或者http://assa.iigsnet)和笮中科技人学校园网。会谇细信息褙上网食覓英文征 会议秘书长:熊和金教授(电话:13100632092,E-mal:999Whan@sohu.com),费军教授(电计:13797014323,E-mail:feijun1024@126.com) 会议秘书处设在华口科技大学科学技术协会,邯缟:430074,电话:086-027-87543051,Fa:086-027-87547971,E-mail:hwu@public.wWh.hb.cn 囯际一股系统沦硏究会〔IGSS)IGSS十国分会华叶科技学科学技八协会二C六九一日