溶解氧模糊控制器的FPGA设计与实现

衷卫声 沈淑鸿 王文海

(南昌大学环境与化学工程学院1，江西 南昌 330029;浙江大学控制科学与工程系2，浙江 杭州 310027)

0 引言

溶解氧(dissolved oxygen，DO)是污水处理过程中的重要参数，它能够较好地反映污水处理过程中的相关情况［1］。维持溶解氧浓度处于相对稳定的水平，对于保证出水水质十分重要。鉴于污水处理过程无法建立精确的数学模型、经典控制无法保证系统稳定性的特点，可以将模糊控制技术同污水处理技术相结合，建立溶解氧模糊控制系统，以实现对溶解氧浓度的控制［2］。

目前，模糊控制器的实现方式主要有在传统的数字计算机、单片机上实现或者通过模糊控制专用硬件处理器来实现［3］。前者的处理速度较慢，无法保证控制系统对实时性的要求，后者则具有处理速度快、实时性高等优点［4］。

本文利用FPGA时钟频率高、实时性强的特点，采用cyclone FPGA器件EP13T144C8，并使用VHDL硬件描述语言，完成了溶解氧模糊控制器的设计［5］。

1 溶解氧(DO)模糊控制原理

本溶解氧模糊控制系统以模糊控制理论为基础，采用二阶模型，以每个采样周期采集到的DO值与设定的DO值之差E和偏差E的变化EC为输入，以控制量U为输出，进行模糊控制器的设计。首先通过A/D转换将采集到的DO值同设定值比较，分别得到误差E和误差变化EC的精确值，并将E和EC进行量化，转换成模糊控制所需要的模糊输入，然后进行模糊推理得到模糊控制量，最后通过D/A转换成模拟信号U，以控制鼓风机的转速，调节溶解氧浓度。

2 模糊控制器的设计

2.1 精确量的模糊化

根据污水处理的相关工艺，溶解氧偏差E的连续论域为［－22］，偏差变化 EC的论域为［－44］。E和U、EC对应的离散论域分别为［－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6］和［－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4］。取 E、EC、U 的模糊子集个数分别为7、5、7，则 E=(NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB)、EC=(NB，NS，ZO，PS，PB)、U=(NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB)。

2.2 模糊控制表的建立

本设计中的溶解氧(DO)模糊控制器是二维模糊控制器，模糊控制规则的形式是［6］:IF E=...and IF EC=…then U=…。根据手动控制策略，总结出模糊控制规则如表1所示。

表1 溶解氧模糊控制规则表Tab.1 Rules of DO fuzzy control

对于模糊控制表，本文采用Matlab的模糊控制工具箱Fuzzy Logic Toolbox来建立。具体的计算过程本文不加以赘述，详细过程可以参考相关的书籍和文献［7］。通过调用Matlab中的模糊控制工具箱，在对相关参数进行设定并编辑表一中的模糊控制规则之后，通过规则观察器窗口总结得到的溶解氧模糊控制表如表2所示。从表2中可以看到，当模糊控制器的输入E和EC确定时，可以通过查表的方式得到对应的控制输出量U。

2.3 模糊控制器的FPGA实现

通过对溶解氧浓度控制以及模糊控制系统的相关原理进行分析，将本文设计的溶解氧模糊控制器的功能定义为将A/D转换后采集到的DO值进行计算，得到偏差E和偏差变化EC并映射到模糊控制表，通过查表的方式得到控制输出量。

要实现本溶解氧模糊控制器的功能，可以通过定制ROM，完成模糊控制查询表的存储［8］。首先在QuartusII 9.1 中建立 Memory Initialization File(.mif)文件，定制所需要的ROM内存空间，然后利用Mega Wizard Plug-In Manager向导工具，生成可以对上述.mif文件进行读写的VHDL代码［9］。由于.mif文件无法综合浮点数，所以本文在定制ROM内存空间时，将控制量乘以2以转换为整数，在控制输出过程中只需要除以相同的倍数即可［10］。

表2 溶解氧控制表Tab.2 Control list of DO

定制ROM内存空间，包括内存地址和内容的设定。其中，对内存空间的寻址地址由8位二进制数组成，系统通过对E和EC进行编码来完成寻址地址的设定。

寻址地址的高4位为对E的编码，低4位为对EC的编码，最多可以存储256条控制规则。如对于偏差E，由定义可知，E的连续论域为［－22］，离散论域为［－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6］，量化因子 Ke=3，在此将论域分为(－∞，－6］、(－6，－5］、…、［5，6)、［6，+∞)共 13 段。当 E≤－6时，E= －6;当 E＞ －6且 E≤ －5时，E= －5，以此类推。

在内存单元中，用4位二进制数对E进行编码，用eaddress表示编码后的4位二进制地址，由此可以得到［－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6］的编码分别为［0000，0001，0010，0011，0100，0101，0110，0111，1000，1001，1010，1011，1100］。

同理可以将EC进行编码，用ecaddress表示，可以得到［－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4］的编码分别为［0000，0001，0010，0011，0100，0101，0110，0111，1000］。对偏差E进行地址编码的VHDL程序代码如下。

对E的编码仿真图如图1所示。

图1 偏差编码仿真图Fig.1 Simulation of deviation encoding

由图1中可以看出，该程序代码能够正确地对偏差输入E进行编码，生成溶解氧模糊控制查询表寻址地址的高4位地址。

对EC进行编码的VHDL描述与上述E编码程序类似，故在此没有给出。EC的编码仿真图如图2所示。

图2 偏差变化编码仿真图Fig.2 Simulation of deviation change encoding

分别完成对E和EC的编码后，要完成对控制表的查询，需要对内存地址进行设定。本文通过将eaddress和ecaddress组合，得到模糊控制查询表的8位二进制寻址地址，用 temp表示，即 temp＜ =eaddress＆ecaddress。然后将之前定制的ROM内存空间DATAROM，通过元件例化的方式在顶层设计文件中进行实例化。最后以上述8位地址temp寻址，通过查表的方式得到溶解氧模糊控制器的输出控制量U。本文设计的溶解氧模糊控制器对应的仿真图形如图3所示。

图3 模糊控制器仿真图Fig.3 Simulation of fuzzy controller

由图3可以看出，当偏差E为－2、偏差变化EC为3时，通过寻址映射查表得到的控制量为－3。由于在定制ROM内存空间时将控制量放大了2倍，因此，在后续控制电路中只需将输出控制量缩小为查表结果的一半即可。

由此可知，本文设计的溶解氧模糊控制器能够根据采集到的溶解氧偏差E和偏差变化EC实现快速编码，并将其映射到模糊控制查询表，得到相应的模糊控制输出量，可以满足实际应用对溶解氧浓度进行快速实时模糊控制的需要。

3 结束语

本文将模糊控制器设计的相关原理与FPGA技术相结合，完成了溶解氧模糊控制器的设计。利用Matlab模糊控制工具箱计算溶解氧模糊控制表，并通过FPGA宏功能模块的定制，完成对模糊控制表的存储，缩短了设计周期;充分利用FPGA时钟频率高、实时性强的特点，并发挥VHDL语言设计灵活的优点，提高了溶解氧浓度自动控制的实时性与稳定性。在QuartusII 9.1开发平台上对系统进行编译和仿真的结果也表明，本设计中的溶解氧模糊控制器能够实时快速地对溶解氧浓度进行控制。

［1］李玉华，任刚，郭健男.DO作为SBR法控制参数的应用研究［J］.哈尔滨工业大学学报，2004，36(6):821－823.

［2］欧林林.污水处理中溶解氧模糊控制的研究［D］.合肥:合肥工业大学，2003.

［3］王洁，张淑燕，刘涛，等.基于FPGA的嵌入式多核处理器及SUSAN算法并行化［J］.计算机学报，2008，31(11):1996 －2003.

［4］贺今朝.一种基于FPGA的模糊控制器的研究［D］.大连:大连理工大学，2002.

［5］Barriga A，Sanchez-Solano S，Brox P，et al.Modeling and implementation of fuzzy systems based on VHDL［J］.International Journal of Approximate Reasoning，2004，41(2):164 －178.

［6］张卫国，杨向忠.模糊控制理论与应用［M］.西安:西北工业大学出版社，2004.

［7］于浩洋，初红霞，王希凤，等.MATLAB实用教程:控制系统仿真与应用［M］.北京:化学工业出版社，2009:133－157.

［8］张科，靖固.一种模糊控制器在FPGA上的分析设计［J］.工业控制计算机，2008，21(8):43 －44.

［9］刘延飞，郭锁利，王晓戎，等.基于Altera FPGA/CPLD的电子系统设计及工程实例［M］.北京:人民邮电出版社，2009:239－244.

［10］Bhasker J.VHDL教程［M］.刘雷波，孟一聪，译.北京:机械工业出版社，2006.