制序列，（1)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兹g不要过大的数学描述，属于软约束；T方日T。是加权 矩阵，是为了协调节气口位置跟踪的快速性和控制动作的平顺性，T,越大节气口位置跟踪 越快，而T。越大执行机构越不容易达到饱和，因此，在设计控制器时，需要通过调节运两个 参数来满足节气口位置跟踪的控制要求。式（2)是节气口的物理约束的数学描述，属于硬 约束，节气口输入电压占空比在[-1，1]范围内，是实际物理意义上的约束，电压占空比变 化率在[-1，1]范围内，是保证控制动作的平顺性的描述，节气口开度在[0,90°]之间，是对 节气口挡板不碰撞限位块的描述。
[0010] 0)优化问题求解 由于约束条件的存在，优化问题（1)-(2) -般求解不出解析解，需要采用数值优化方 法求解约束优化问题，MPC的优化问题（1)-(2)可W转换成如下形式的QP问题进行求解
其中化是和系统状态空间方程系数有关的常值矩阵，和状态变量等相关。QP是 一个典型的数学优化问题，离线仿真时可W使用MTLAB求解函数进行求解，但是在FPGA硬 件上实现时，不支持MTLAB的求解函数库，需要编写求解算法的源代码，因此本发明采用 内点法（Interiorpointmethods,IPM)来实现优化求解。模型预测控制算法的计算量主 要体现在每个采样周期的QP优化问题的求解过程。通过求解QP问题，得到优化控制序列 A(/ *(复)后，就将*巧)的第一个元素作用于被控系统，下一个采样时刻，根据新的 测量值，刷新约束优化问题，重新求解QP问题，W此往复。
[0011] 2.控制器接口设计 在控制器的硬件实现时，接口设计也是一个难点，如果接口传输速率过慢或者不稳定， 会拖慢整个控制器的运行速度，降低系统运行的稳定性。
[0012] ②输入、输出接口、滤波器、估计器四个设计(运儿的接口设计是很简单的设计，所 W在运里是个简单的介绍，而在【具体实施方式】里面详细写了运一部分） (1)输入接口设计 电子节气口实物可W测量的是位置开度信号，控制器需要通过测得的位置信号进行计 算求解，因此本发明选用高速AD数据转换器进行位置信号的采集，W提高数据采集速度， 其接口的设计主要就是对AD忍片信号进行控制与读取。
[001引似输出接口设计 电子节气口是个低通环节，截止频率很低，所W本发明采用PWM驱动电子节气口，在控 制器计算得到输出控制信号电压占空比后，需要设计PWM驱动模块用于驱动电子节气口装 置。
[0014] (3)滤波器及估计器的设计 在电子节气口实物控制中，测量得到的节气口位置开度信号会不可避免地存在杂波， 本发明采用FPGA设计一个低通滤波器，运样才能得到相对准确的节气口开度信号。针对节 气口控制中的节气口角速度麵状态量不可测量的问题，本发明利用当前节气口位置信号进 行角速度的估计。数学模型中状态是通过％的求导得到的，但是实际中微分环节不存在， 故本发明采用一阶惯性环节来对！近似求导，从而获得节气口的角速度％。
[001引 3.节气口控制系统的FPGA实现 约束MPC控制器的求解过程比较耗时，在一般硬件控制器中如此大量的运算会消耗过 多的时间和硬件资源，难W满足节气口的快速跟踪控制要求。本发明采用 ③基于FPGA实现的模型预测控制系统包括时钟模块、接口模块、求解模块 基于FPGA的全硬件方案进行MPC控制器的实现，充分利用FPGA的硬件特性，W较高时 钟频率并行计算控制算法，从而增加系统的数据吞吐量，提升控制系统性能。基于FPGA实 现的模型预测控制系统主要包括时钟模块、接口模块、求解模块。
[0016] (1)时钟模块 时钟模块是为整个系统提供精准的时钟，本设计利用FPGA开发板上晶振提供的频率 为50MHz的时钟，采用时钟锁相环（phase-lockedloop,化L)技术实现不同时钟频率的输 入，W方便电路的调试。
[0017] 似接口模块 接口模块包括输入和输出接口，用于采集节气口位置开度信号和输出节气口控制信 号。输入接口包括AD忍片的配置程序和滤波状态估计程序，其中滤波环节采用一阶惯性滤 波算法，而状态估计采用一阶惯性环节近似求导方法得到节气口角速度，将读取过来的位 置信号、估计的节气口角速度和节气口参考输入信号全部存在FPGA寄存器中，作为求解模 块的=个输入量。电子节气口的驱动信号是PWM方波信号，故需要将控制算法输出的控制 信号进行转换，本发明采用比较的方法得到PWM方波，最终通过FPGA的通用10 口将PWM信 号输出。
[0018] (3)求解模块 求解模块采用内点法求解QP优化问题，获得节气口优化控制量。为缩短开发周期，本 文采用半自动模块化的FPGA设计方法进行控制器的设计，即简单的功能模块(例如接口 模块）可W通过手工编写硬件语言的方法实现，复杂的算法模块(例如内点求解模块）借助 高级综合工具自动生成硬件描述语言。求解模块的FPGA硬件实现时，需要编写内点算法的 C/C++代码，然后利用综合工具将算法的C/C++代码转成硬件语言描述代码，同时通过对内 点算法的分析和优化，充分利用流水线及并行计算，使反复迭代的约束模型预测控制算法 在毫秒时间内求出优化解，得到优化控制序列。
[0019] ④集成综合(上述描述的是FPGA中一个一个设计的功能模块，而集成综合就是将 运些功能模块捏合一起按照一定的逻辑顺序运行W实现特定的功能，运个工作是一款FPGA 开发工具实现的） 最后将各个模块在顶层进行集成综合，W完成节气口控制系统的FPGA实现。半自动模 块化的FPGA设计方法减轻了设计人员的负担，加快了算法硬件实现的流程。由于对某一 模块的修改和替换不用改动其它模块，因此，为控制器的实现和应用提供了灵活性，使得控 制器的调试和维护变得更加简便。
[0020] 下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。
[002。 本发明基于FPGA实现的节气口模型预测控制系统的结构框图如图1所示，主要包 括模型预测控制器、数据处理模块(滤波和估计)、AD数据采集接口W及PWM驱动接口。FPGA 作为电子节气口控制单元的硬件实现平台，外接AD数据采集板和PWM驱动板；FPGA控制 单元首先通过AD忍片采集节气口位置开度信号和油口踏板参考信号，然后经过数据的滤 波和处理得到节气口开度的变化量；、节气口角速度的变化量麵如节气口开度参考输入 I*和节气口开度#，模型预测控制器通过优化求解输出优化控制序列电压占空比作用于 电子节气口。下面具体说明各个部分的实施步骤： 曰、模型预测控制器的设计： (1)预测模型：因为模型预测控制是基于模型的控制算法，所W需要建立电子节气口 的数学模型，W进行模型预测控制器的设计。电子节气口主要由驱动电机，减速齿轮组，复 位弹黃，节气口体及节气口开度传感器组成。根据电子节气口机械结构建立节气口数学模 型的状态方程如下所示：
式中巧[、J^表示的是节气口开腹馬为节气口转速，跨为电机扭矩常数，^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，.Si为电机电阻，为弹黃弹 性系数，^为节气口静态开度，*为弹黃预紧力矩系数，g为滑动摩擦系数，^为电机 扭矩常数，为电机反电动势常数，彩f为库伦摩擦系数；本申请所有符号定义相同。由状 态方程可W看出电子节气口的非线性主要体现在符号函数sgn上，由于节气口在转动时的 角度一般大于节气口动态开度簿，且忽略节气口在正反转切换瞬间，即萄正负切换的时刻， 将电子节气口的数学模型转换为线性的增量模型如下所示：
(2)； 使用增量模型同时是为了引入积分W减少或消除静