3,true〉等。
[0031] ②硬件代码生成 设计完定点模型控制器后将算法的C/C++程序代码转换成FPGA硬件语言描述语言(HardwareDescriptionLanguage,皿L)代码。求解QP问题存在反复迭代寻求最优解，所 W-般模型预测控制器的计算性能相对较差。本发明为了解决运个矛盾，一方面采用FPGA 对控制器进行硬件提速，另一方面对控制算法进行电路结构优化。针对内点求解算法，如果 按照收敛条件10 6来设计硬件控制器，会导致代码过于冗余，造成综合失败，故在此处设计 中，固定迭代次数。在硬件语言中，除法比乘法浪费资源和时间，且如果乘数是2的幕次，还 可W用左移运算代替乘法W提速。除此之外，针对算法中存在大量的循环运算，本发明将运 些循环运算进行展开，方便并行执行代码和流水线优化。在FPGA内部，各变量的存储结构 有多种，例如RAM存储，寄存器存储。由于RAM存储的变量不能同时读取，运样会降低系统 的运行速度，故本发明将所有变量全部采用寄存器存储。经过上述的优化后，本发明的控制 器数据输入到计算完成数据输出所需要时间为0. 58855ms，满足了电子节气口系统毫秒级 的系统响应时间需求。
[00础 ③功能验证 为保证生成的硬件代码功能的正确性，需要进行功能仿真验证，其功能仿真结果如附 图5所示，由图可W看出在相同的输入激励下，控制器的FPGA硬件代码和原C/C++代码输 出结果相一致，偏差的数量级在化风由此验证了本发明FPGA实现的控制器功能的正确性。 [003引 做模块集成 功能仿真验证通过后，我们通过编写一个顶层文件将时钟、接口、数据处理、求解模块 集成，然后进行编译综合、布局布线，最后生成FPGA配置文件并进行控制系统的板级验 证。
[0034] 3.外围电路板设计 完成模型预测控制系统的FPGA实现后，需要进行的是接口电路的设计，如附图6所示， 为了满足本系统毫秒级的响应速度，在本发明中输入接口上的AD转换忍片采用TI公司生 产的12位、最大采样率为6MSPS的TMS1206,结合其并行输出和易配置的特性，可队陕速地 从该AD忍片上读取节气口的位置信号。输出接口上选用的PWM驱动是有刷直流电机驱动， 驱动器型号是BRT60A，其中的驱动是（带有M0S管I化R7843)IRS2184忍片，该驱动具有较 好的抗干扰能力，输入3. 3V和5V兼容，最大承受的电流是60A，且能输出正负脉冲的PWM， 运样满足节气口正反转的需求。
[0035] 4.电子节气口实物控制 节气口控制系统的硬件平台包括多输出可调电源、接口电路板、FPGA开发板、电子节气n，其中电源输出5V电压和12V电压分别驱动FPGA和电子节气口，为了实时查看节气口的 位置信号，此实验借用dSPACE及其配套的桌面软件ControlDesk对节气口位置信号就行观 巧。，然后按照附图6接线后完成节气口控制系统的硬件平台搭建，最终将控制算法及接口 程序综合所产生的配置文件下载到FPGA中W完成控制器的硬件实现。
[0036] 接着就进行电子节气口实物的跟踪控制实验，第一组实验是电子节气口跟踪开度 阶跃信号，其中节气口起始开度大概为1r，本实验让节气口分别在3. 5s和8s跟踪给定位 置35°和69° ;第二组跟踪的是实际的油口踏板信号，用来完全模拟汽车中的油口加减速 过程，实验结果分别如附图7和附图8所示，可W看到设计的控制器能够快速地跟踪上给定 信号，且几乎没有超调，体现良好的控制性能。由实验结果可W看出，本发明的基于FPGA实 现的模型预测控制系统具有很好的控制效果，能够满足电子节气口的控制要求。
【主权项】
1. 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：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，JT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：定义模型的控制时域为％预测时域为A同时满足_S|，可以推导出系统未来P步的 输出预测方程：其中€，1"，《^，》%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：满足约束条件上式（4)中等式右边第一项是对保证节气门开度/决速地跟踪上期望给定值2伯数学 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么||不要 过大的数学描述，属于软约束，TjPT"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：(4) 内点法的求解步骤为： ①选取初始点(x。jf)，叫)，其中> 0,啤> 0，取小于1且接近1的正数濟和得; ④ 计算式子此得到搜索方向 r _ _ r- +'辱到搜索的步长参数^; ⑤ 令(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?，初始化MPC与IPM相关参数； ② 给定期望轨迹，在fe艺i时刻，得到算法输入{I③ ?1M求解优化问题，得到优化控制序列及控制增量，并 榭空制增量作用到系统； ④itk+1时刻，令k=k+l，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StratixIII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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】F02D9/08
【公开号】CN105114189
【申请号】CN201510310726
【发明人】许芳, 梅钦, 季冬冬, 陈虹, 许月亭
【申请人】吉林大学
【公开日】2015年12月2日
【申请日】2015年6月9日