高速目标等离子体模型预测控制器的FPGA实现

发布时间：2020-11-03 15:55

　　 临近空间高速目标飞行器在返回地面过程中受等离子鞘套影响会出现通信中断及监测异常的问题,针对上述问题,需要在地面搭建实验装置,模拟目标飞行器再入环境,研究等离子鞘套对通信及探测的确切影响。地面试验装置的核心是高速目标等离子体产生装置,该装置可在控制作用下产生满足要求的高速目标等离子体,因此,研究精确、高效的高速目标等离子体控制系统具有重要意义。本文研究了模型预测控制在高速目标等离子体控制系统中的应用,针对高速目标等离子体控制系统的工程要求,本文还研究了模型预测控制器在FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)上的硬件实现。本文将模型预测控制应用于高速目标等离子体控制系统中,并基于FPGA设计了模型预测控制器。针对模型预测控制的二次规划问题,本文采用对偶有效集算法完成优化求解。在实现基于FPGA的模型预测控制器后,本文利用dSPACE搭建实时半实物仿真平台完成控制器的仿真验证。具体工作包括以下三个方面:1.完成高速目标等离子体模型预测控制器的设计。结合高速目标等离子体的控制要求,建立相应的数学模型,基于此设计模型预测控制器,并采用算法结构简单、便于实现的对偶有效集算法求解二次规划问题,并利用MATALB完成对高速目标等离子模型预测控制器的离线仿真测试,验证控制器的控制效果。2.针对模型预测控制在线计算速度慢的问题,本文基于FPGA实现模型预测控制器,提高模型预测控制的计算速度。在以浮点运算IP核为最底层模块的基础上,采用Verilog HDL编写矩阵运算模块、优化问题求解模块、目标函数模块、多路复用模块及数据传输模块等子模块,在顶层模块下例化各个子模块后使用ISE进行分析综合及布局布线,完成模型预测控制器整体设计。3.基于dSPACE搭建半实物仿真平台,进行高速目标等离子体密度、速率跟踪实时半实物仿真实验。首先利用MATALB/Simulink搭建高速目标等离子体半实物仿真模型,编译模型后联合dSPACE与FPGA,完成半实物仿真平台搭建,并基于该平台进行高速目标等离子体密度、速率跟踪实时仿真实验,实验结果验证了基于FPGA设计的模型预测控制器的实时性与有效性。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN791;V216.7
【部分图文】：

西安电子科技大学硕士学位论文数字系统设计的重要硬件基础，采用高速 CHM 设计 ASIC 电路时，不需要投片、风险低，在较发器和 I/O 资源使得其使用非常灵活，用户可以同模式的配置，基于此，FPGA 已经成为提高系发板简介预测控制器 FPGA 实现的顺利进行，需要挑选的 FPGA 芯片厂商为 Xilinx、Altera 两家。Xilin择；Altera 公司有 Stratix 、Cyclone 系列等。从文选择 Xilinx 公司的 Kintex-7 系列芯片，芯片接购买搭载该芯片的成品开发板。

西安电子科技大学硕士学位论文E 实时半实物仿真平台可分为软件系统和硬件平台译和下载的 RTI 软件及用于变量测试监控的 Contro MATLAB/Simulink 的桥梁，可实现 MATLAB/S载；ControlDesk 拥有丰富的仪表及数据监测工具，件平台的核心是计算能力极强的 PowerPC 处理器，同时其丰富的 I/O 资源可方便的实现与其他设备户的需求，dSPACE 公司提供了单板系统和标准组单板系统即将处理器和 I/O 集成于同一板上，不需满足用户快速设计的要求；标准组件系统是根据用板进行组装，与单板系统相比性能更高，适用于复E 实时半实物仿真平台具有实时性好、组合性强、选择的是 dSPACE 标准组件系统，搭载 DS1007 处 实物如图 2.3 示，其搭载 DS1007 处理器板卡负责

图 3.2 等离子体发生器三维模型按照输入与输出的对应关系，经过模型辨识得到高速目标等离子体产生装置的传递函数如式(3-1)所示， ( ) = ( ) ( ) (3-1)其中： ( ) = ( ) ( ) （ ( )表示等离子体密度， ( )表示速率） (3-2) ( ) = ( ) ( ) ( ) ( ) (3-3) ( ) = ( ) ( ) （ ( )表示进气量， ( )表示电源功率） (3-4)将式(3-1)改写为状态空间表达式，可得高速目标等离子体对应的状态空间数学模
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本文编号：2868784