基于FPGA的丘脑皮层放电状态变论域模糊控制系统的制作方法

文档序号:12661357阅读:来源:国知局

技术特征:

1.一种基于FPGA的丘脑皮层放电状态变论域模糊控制系统,其特征是:该控制系统包括有:变论域模糊控制FPGA芯片(1)和丘脑皮层FPGA芯片(2)连接,变论域模糊控制FPGA芯片(1)设有除法器模块(15)、乘法器模块(14)以及信号滤波器,闭环电生理转置(3)与变论域模糊控制FPGA芯片(1)相连接,上位机(10)通过信号采集装置(9)与闭环电生理装置(3)连接;丘脑皮层FPGA芯片(2)上搭建丘脑皮层神经核团模型(26),丘脑皮层神经核团模型(26)计算的神经元核团输出膜电位信号(28)在神经元膜电位RAM(27)中存储,变论域模糊控制FPGA芯片(1)上包含有依次相连的误差信号获取及模糊化调幅模块(6)、主模糊控制器模块(5)、伸缩因子副模糊控制器模块(4)、NIOS II软核处理器(7)和信号解模糊调幅模块(8);主模糊控制器模块(5)包含有主模糊控制器模糊化接口模块(23)、主模糊控制器模糊推理模块(24)和主模糊控制器解模糊模块(25),伸缩因子副模糊控制器模块(4)包含副控制器模糊化接口模块(11)、副控制器模糊推理模块(12)以及副控制器解模糊模块(13),差信号获取及模糊化调幅模块(6)与闭环电生理装置(3)相连接,输出偏差信号(16)和偏差变化率信号(17),偏差信号(16)与偏差变化率信号(17)经过伸缩因子副模糊控制器模块(4)输出伸缩因子变化量(18),得到的伸缩因子变化量(18)经过除法器模块(15)修正论域范围,偏差信号(16)和偏差变化率信号(17)经过主模糊控制器模块(5)输出主控制器变化量(19),主控制器控制变化量(19)与伸缩因子变化量(18)经过乘法器模块(14)得到变论域模糊控制器输出量(20),变论域模糊控制器输出量(20)经过信号解模糊调幅模块(8)得到实际控制变化量(21)并输入闭环电生理装置(3)中,进而调节丘脑放电状态;闭环电生理转置(3)接收该实际控制变化量(21),调节神经元异常放电状态,并将其调节的动态变化通过信号采集装置(9)获取丘脑放电状态采集信号(22),并传输给上位机(10)进行实时显示与监控;

所述控制系统在丘脑皮层FPGA芯片(2)上搭建丘脑皮层神经核团模型(26),获取正常放电信号,并通过闭环电生理装置(3)的电压钳位获取异常放电信号,所述正常、异常两种放电信号作为输入信号,经过误差信号获取及模糊化调幅模块(6),获取模糊控制系统标准论域范围内的偏差信号(16)和偏差变化率信号(17);偏差信号(16)与偏差变化率信号(17)进入主模糊控制器模块(5),偏差信号(16)与偏差变化率信号(17)依次经过主控制器模糊化接口模块(23),主控制器模糊推理模块(24)以及解模糊模块(25)的数据处理,得到主控制器控制变化量(19);同时偏差信号(16)与偏差变化率信号(17)进入伸缩因子副模糊控制器模块(4),分别经过副控制器模糊化接口模块(11),副控制器模糊推理模块(12)以及副控制器解模糊模块(13),得到伸缩因子变化量(18),伸缩因子变化量(18)通过构建的除法器模块(15)修正偏差信号(16)与偏差变化率信号(17)的论域范围,主控制器控制变化量(19)与伸缩因子变化量(18)经过片上乘法器模块(14)和信号解模糊调幅模块(8)得到实际控制变化量(21),闭环电生理转置(3)接收该实际控制变化量(21),调节神经元异常放电状态,并将其调节的动态变化通过信号采集装置(9)获取丘脑放电状态采集信号(22),并传输给上位机(10)进行实时显示;NIOS II软核处理器(7)控制误差信号获取及模糊化调幅模块(6)和信号解模糊调幅模块(8)的使能,并输出相应指令于信号采集装置(9)中,形成自适应性变论域模糊控制系统,实现对丘脑神经元异常放电状态的动态调节与改善。

2.根据权利要求1所述基于FPGA的丘脑皮层放电状态变论域模糊控制系统,其特征是:所述丘脑皮层神经核团模型(26)通过欧拉法离散化,由Verilog HDL语言实现编程,通过仿真编译,网络布线最后下载到丘脑皮层FPGA芯片(2)中,丘脑皮层神经核团模型(26)通过设定的参数选取经计算产生的神经元核团输出膜电位信号(28)作为丘脑皮层正常放电信号,并传输进入误差信号获取及模糊化调幅模块(6),结合从闭环电生理转置(3)中获取的异常放电信号,得到模糊控制系统标准论域内的偏差信号(16)与偏差变化率信号(17)。

3.根据权利要求1所述基于FPGA的丘脑皮层放电状态变论域模糊控制系统,其特征是:所述变论域模糊控制FPGA芯片(1)为用于实现具有自适应性的变论域模糊控制算法模块,通过Verilog HDL语言编程实现,变论域模糊控制FPGA芯片(1)接收由误差信号获取及模糊化调幅模块(6)输出的偏差信号(16)与偏差变化率信号(17),偏差信号(16)和偏差变化率(17)信号先经过副控制器模糊化接口模块(11),完成偏差信号(16)和偏差变化率(17)信号的分区及确定其隶属度函数,副控制器模糊化接口模块(11)通过七级语言变量,即正大(PB),正中(PM),正小(PS),零(ZO),负小(NS),负中(NM)和大(NB),每级语言变量都对应一个模糊集合为隶属度函数;偏差信号(16)和偏差变化率信号(17)经过副控制器模糊推理模块(12)进行模糊推算,副控制器模糊推理模块(12)包含有基于标准模型的副模糊控制器规则库,所述副模糊控制器规则库包含49条副模糊控制器规则,所述规则激活采用偏差信号(16)与偏差变化率信号(17),经过副控制器模糊化接口模块(11)处理后得到对应的隶属度,选取其中小的隶属度作为总的模糊推理前件的隶属度的取小法,综合过程通过对所有经过副控制器模糊化接口模块(11)得到的模糊集合进行并运算的取大法,最后经过副控制器解模糊模块(13)输出伸缩因子变化量(18);同时,偏差信号(16)和偏差变化率信号(17)经过主控制器模糊化接口模块(23),完成偏差信号(16)和偏差变化率信号(17)的主控制器分区及确定其隶属度函数;主控制器模糊化接口模块(23)也采用七级语言变量,即正大(PB),正中(PM),正小(PS),零(ZO),负小(NS),负中(NM)和大(NB),每级语言变量对应一个模糊集合为隶属度函数;偏差信号(16)和偏差变化率(17)信号经过主控制器模糊推理模块(24)进行模糊推算,主控制器模糊推理模块(24)包含有基于标准模型的主控制器模糊控制规则库,所述主模糊控制器规则库包含49条主模糊控制器规则,所述主模糊控制器规则激活采用偏差信号(16)与偏差变化率信号(17),经过主控制器模糊化接口模块(23)处理后得到对应的隶属度,选取其中小的隶属度作为总的模糊推理前件的隶属度的取小法,综合过程采用对所有经过主控制器模糊化接口模块(23)得到的模糊集合进行并运算的取大法;最后经过主控制器解模糊模块(25)输出主控制器控制变化量(19),通过信号解模糊调幅模块(8)将论域内的主控制器控制变化量(19)转化成对闭环电生理装置的实际控制变化量(21),实现变论域模糊模块的自适应控制系统。

4.根据权利要求1所述基于FPGA的丘脑皮层放电状态变论域模糊控制系统,其特征是:所述的误差信号获取及模糊化调幅模块(6)和信号解模糊调幅模块(8),根据闭环电生理装置(10)和丘脑皮层神经核团模型(26)输出的信号幅值上下限与模糊系统论域的设定范围,通过变论域模糊控制FPGA芯片(1)上的除法器模块(15)、乘法器模块(14)以及信号滤波器完成模块设计,误差信号获取及模糊化调幅模块(6)的输出信号和信号解模糊调幅模块(8)的输出信号,按照NIOS II软核处理器(7)相应指令输入到伸缩因子副模糊控制器模块(4)和主模糊控制器模块(5),作为模糊系统论域内的标准输入信号。

5.根据权利要求1所述基于FPGA的丘脑皮层放电状态变论域模糊控制系统,其特征是:所述信号采集装置(9)包括有模拟量输入接口和数据采集卡,信号采集装置(9)进行对闭环电生理转置(3)与上位机(10)之间的数据通讯,所述数据采集卡采用研华多功能数据采集卡KPCI-811型号。

6.根据权利要求1所述基于FPGA的丘脑皮层放电状态变论域模糊控制系统,其特征是:所述闭环电生理转置(3)包括控制电极,测量电极和异常状态下的被测丘脑神经细胞;所述测量电极与控制电极和被测丘脑神经细胞相互连接,获取的丘脑放电信息作为模拟信号输入传输给信号采集装置(9)。

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