基于FPGA实现的电子节气门模型预测控制系统

摘要

一种基于FPGA实现的电子节气门模型预测控制系统，属于汽车电子技术领域。本发明的目的是提供一种不仅可以很好地满足节气门的控制需求，而且还能够在线灵活裁减、扩充、升级，克服了目前现有电子节气门电控系统不足的基于FPGA实现的电子节气门模型预测控制系统。本发明的步骤是：模型预测控制器的设计、控制系统的FPGA实现。本发明设计了节气门的先进模型预测控制器，约束优化问题的成功描述解决了节气门快速准确跟踪的多目标约束控制问题，达到了很好的控制效果。基于FPGA实现的模型预测控制系统，能够方便的在线进行升级、扩充、维护，延长了产品生命周期，降低了开发、维护成本，且相对于单片机等实现的控制系统，FPGA实现的控制系统抗干扰能力更强，且更容易产品化，完成专用的控制芯片的设计。

主权项

一种基于FPGA实现的电子节气门模型预测控制系统，其特征在于：a、模型预测控制器的设计：(1)预测模型：根据电子节气门机械结构建立节气门数学模型的状态方程如下所示：（1）式中、表示的是节气门开度，为节气门转速，为电机扭矩常数，为电源电压，为减速齿轮组传动比，为折算到电机侧的转动惯量，为电机电阻，为弹簧弹性系数，为节气门静态开度，为弹簧预紧力矩系数，为滑动摩擦系数，为电机扭矩常数，为电机反电动势常数，为库伦摩擦系数；将电子节气门的数学模型转换为线性的增量模型如下所示：（2）；定义模型的控制时域为m，预测时域为p，同时满足，可以推导出系统未来p步的输出预测方程：（3）其中，，，是相应维数的系统预测常值矩阵；(2)优化问题描述：电子节气门位置跟踪控制的问题描述为如下的约束优化问题：（4）满足约束条件（5）上式(4)中等式右边第一项是对保证节气门开度y快速地跟踪上期望给定值r的数学描述；(4)式中等式右边第二项是确保控制动作的平顺性希望控制动作的变化率不要过大的数学描述，属于软约束，T_y和T_u为加权矩阵；式(5)是节气门的物理约束的数学描述，属于硬约束；(3)优化问题求解：MPC的优化问题式(4)、式(5)转换成如下形式的QP问题进行求解：（6）满足（7）（4）内点法的求解步骤为：①选取初始点，其中，取小于1且接近1的正数和；②计算下式：（8）得到；③解方程（9）得到；④计算式子得到，由此得到搜索方向，根据式得到搜索的步长参数；⑤令（10）更新的值；⑥计算终值条件；（5）结合内点算法和预测控制，得到约束预测控制的算法流程：①设置预测时域p及控制时域m，初始化MPC与IPM相关参数；②给定期望轨迹，在时刻，得到算法输入值、，，，，计算、、；③通过IPM求解优化问题，得到优化控制序列及控制增量，并将控制增量作用到系统；④在k+1时刻，令k=k+1，返回第②步；b、控制系统的FPGA实现：采用基于FPGA的硬件实现方案来进行MPC控制系统的设计，其中FPGA选用的是Altera的Stratix Ⅲ系列的EP3SL150F1152C2N；节气门控制系统的FPGA开发流程是：首先在MATLAB中进行MPC算法的离线仿真验证，并对算法耗时计算过程进行分析，然后，将控制系统进行模块划分，时钟模块采用时钟锁相环实现，求解模块借助综合工具生成硬件描述语言，数据处理模块和接口模块手动编写硬件描述语言代码，各个模块设计完成之后，分别进行 ModelSim 功能仿真验证，如果控制器的功能不正确，则对硬件代码进行修改，直至功能正确，验证通过后，通过写一个顶层文件将所有模块集成，然后进行编译综合、布局布线，最后在FPGA中进行控制系统的板级验证。