由于時變非線性和強耦合的控制系統(tǒng)還沒有精確的數(shù)學(xué)模型，因而傳統(tǒng)的依賴被控對象數(shù)學(xué)模型的控制策略及其控制系統(tǒng)的封閉式結(jié)構(gòu)很難對其實施有效控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制能夠很好地克服系統(tǒng)中模型參數(shù)的變化和非線性等不確定因素影響[1]，并且隨著可編程片上系統(tǒng)SoPC和大規(guī)?，F(xiàn)場可編程門陣列FPGA的出現(xiàn)，為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的硬件實現(xiàn)提供了新的載體[2]。

本文以Altera FPGA及內(nèi)含的一個Nios II嵌入式軟核處理器作為上位機來研究機械手臂直流電機速度控制器的片上可編程系統(tǒng)(SoPC)。根據(jù)模塊化的設(shè)計思想，采用Verilog HDL語言，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器和其他電路模塊在FPGA芯片內(nèi)以硬件方式實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)控制部分采用Altera公司的CycloneII EP2C35芯片，取代了傳統(tǒng)的單片機或DSP。FPGA與單片機最大的區(qū)別是它的并行性，F(xiàn)PGA能夠并行地采集、處理和輸出信號，是實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并行運算的關(guān)鍵，對提高系統(tǒng)的運行速度起了很大的作用。其FPGA芯片內(nèi)集成的Nios II軟核處理器作為上位機，根據(jù)末端執(zhí)行器的速度，采用C++語言進行坐標(biāo)變換和軌跡規(guī)劃，定時向伺服控制系統(tǒng)發(fā)出控制命令和運行參數(shù)。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

 

2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)速度控制器

2.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)辨識自適應(yīng)控制的基本原理

用作自適應(yīng)控制器的BPNNC，輸入為電機給定轉(zhuǎn)速y與實際轉(zhuǎn)速yf相比較得到的轉(zhuǎn)速誤差e及其變化率ec，輸出為PWM的控制信號 Vp(k)。用作參數(shù)辨識的BPNNI的輸入為驅(qū)動系統(tǒng)的實際輸入(即BPNNC的輸出值Vp)和電機實際轉(zhuǎn)速yf，輸出為辯識的系統(tǒng)輸出y*，y*為預(yù)測轉(zhuǎn)速，利用y*代替yf，用作RBFNNC的在線訓(xùn)練。圖2為參數(shù)辨識自適應(yīng)控制方框圖。

 

本文所用的兩個BPNN都是雙輸入單輸出網(wǎng)絡(luò)，離線訓(xùn)練的樣本均通過實驗方法獲得。NNC的輸入樣本向量為Xci={e(k)，ec(k)}，輸出樣本向量為Yci={Vp(k)}；NNI的輸入樣本向量XIi={Vp(k-1)，yf(k-1)}，輸出樣本向量YIi={y*(k)}。網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的學(xué)習(xí)分兩步進行：先在離線訓(xùn)練中確定隱層節(jié)點的個數(shù)及其各層的網(wǎng)絡(luò)連接初始權(quán)值,再通過在線訓(xùn)練自適應(yīng)地調(diào)整權(quán)值。

兩個BPNN都采用三層網(wǎng)絡(luò)。輸入層結(jié)點只起信號傳輸作用，隱含層和輸出層神經(jīng)元的激活函數(shù)采用Sigmoid函數(shù)：

 

網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練采用負梯度下降的誤差反向傳播算法。

 

2.2 BPNN在FPGA中的硬件可重構(gòu)實現(xiàn)

目前基于SRAM工藝的FPGA具有易失性的特點,每次重新加電后FPGA都要重配置，才能使其進入工作狀態(tài)。配置信息通常存放在片外存儲器中，因此導(dǎo)致FPGA器件的資源配置可改變特性剛好可以滿足由上述可知的BP網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)可重構(gòu)、激活函數(shù)可重構(gòu)和學(xué)習(xí)算法可重構(gòu)的要求。

從計算的角度考慮,BP網(wǎng)絡(luò)的算法可以分為三個步驟，即前向傳播、誤差反向傳播以及權(quán)值更新。但是考慮到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和設(shè)計文件的復(fù)用性，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的硬件實現(xiàn)必須解決與算法有關(guān)的運算速度、計算精度、并行性和可存儲性等問題。本文本著層次化、模塊化的原則，采用由 VerilogHDL硬件描述語言輸入的自上而下的設(shè)計方法，把BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分為前向運算模塊、誤差反傳及權(quán)值調(diào)整模塊、權(quán)值存儲模塊、權(quán)值分配模塊等幾大功能模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3。

 

將上述各個BP網(wǎng)絡(luò)運算模塊組合后就可以實現(xiàn)一整套人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。但是僅僅將這些模塊簡單連在一起并不能讓網(wǎng)絡(luò)進行工作或訓(xùn)練，還必須精確設(shè)定在每一個時鐘沿對每一個模塊發(fā)出正確的使能信號，使每一個模塊處在工作狀態(tài)或者停滯狀態(tài)，并且還必須有合適的地址信號發(fā)生器在正確的時間產(chǎn)生正確的地址信號，使每一次數(shù)據(jù)都能從正確位置讀出并寫入正確的位置。本文根據(jù)BP算法的運算規(guī)則設(shè)計控制模塊，并且在整個系統(tǒng)中采用一個共用的地址發(fā)生器?？刂颇K有七個輸出信號，分別是：前向模塊使能信號、學(xué)習(xí)模塊使能信號、片內(nèi)RAM及地址產(chǎn)生模塊使能信號、片內(nèi)RAM寫入控制信號 wen、片內(nèi)RAM讀出控制信號ren、片外存儲器寫控制信號save、片外存儲器讀控制信號load。因此最后的控制器可以使網(wǎng)絡(luò)進行離線訓(xùn)練時將前向模塊、誤差反傳模塊和相應(yīng)的控制模塊同時配置到FPGA中進行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。當(dāng)訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)正常工作時，只要在FPGA中配置前向模塊和相應(yīng)的控制模塊就可以高速運行該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。邏輯工作流程如圖4所示。

 

2.3 BP網(wǎng)絡(luò)控制器的仿真結(jié)果

文獻[6]中，通過對一些典型應(yīng)用的研究和分析發(fā)現(xiàn)，16位定點數(shù)是不削弱神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能力的最小精度要求。為避免運算規(guī)模過于龐大和節(jié)約芯片資源，本設(shè)計對32位的輸出數(shù)據(jù)進行了截尾操作,僅取32位中的前16位。

源代碼通過功能仿真和時序仿真測試后綜合生成網(wǎng)表文件，最后在Altera公司的Cyclone II EP2C35器件中實現(xiàn)。BP網(wǎng)絡(luò)控制器的QuartusⅡ仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可知經(jīng)過多次訓(xùn)練后系統(tǒng)輸出值f越來越接近于給定值t，誤差err 變小，小于給定誤差。

 

3 應(yīng)用舉例

根據(jù)前面的仿真結(jié)果，把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)速度控制器應(yīng)用在一個機械臂上，具體實驗與結(jié)果如圖6。

 

如圖6，運動控制系統(tǒng)模塊接收到速度給定信號和命令后進行速度調(diào)節(jié)。速度調(diào)節(jié)器的輸出就是PWM脈寬調(diào)制電路的控制信號，之后產(chǎn)生PWM信號傳給伺服電機驅(qū)動器驅(qū)動電機。速度反饋信號由裝在電機軸上的光電編碼器產(chǎn)生。為了提高反饋信號的分辨率，對光電編碼器的輸出信號進行倍頻，從而提高了編碼器的分辨率，也就提高了速度反饋信號的分辨率。速度調(diào)節(jié)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)辨識自適應(yīng)控制。

驅(qū)動對象是一臺直流力矩電機，輸入電壓為DC27V，額定電流2.5A，最大空載轉(zhuǎn)速600r/min。圖7為空載狀態(tài)下轉(zhuǎn)速指令由0上升到 110 r/min的階躍輸入時的系統(tǒng)跟蹤結(jié)果。由圖7可知，系統(tǒng)能快速響應(yīng)給定轉(zhuǎn)速的變化，有較好的跟蹤能力和穩(wěn)定性。

 

本文運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法并且通過FPGA中的硬件實現(xiàn)速度反饋調(diào)控電路，采用C++語言在FPGA片內(nèi)集成的Nios Ⅱ軟核處理器中進行坐標(biāo)變換和軌跡規(guī)劃，構(gòu)成一個完整的機械臂關(guān)節(jié)速度控制器的SoPC系統(tǒng)。此方案使控制器系統(tǒng)的集成度變高，增加了系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性，同時提高了系統(tǒng)調(diào)試效率和控制精度，是現(xiàn)代機器人伺服系統(tǒng)向模塊化、智能化發(fā)展的方向。

參考文獻

   1. 周兆勇.李鐵才.高橋敏男 基于矢量控制的高性能交流電機速度伺服控制器的FPGA實現(xiàn) [期刊論文] -中國電機工程學(xué)報2004(05)
   2. 范崢.劉宏飛.戚新波 交流伺服電動機神經(jīng)PID自適應(yīng)控制器的研究與開發(fā) [期刊論文] -微特電機2006(08)
   3. 王金明 Verilog HDL 程序設(shè)計教程 2005
   4. 魏海坤 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論與方法 2005
   5. 李昂.王沁.李占才 基于 FPGA的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件實現(xiàn)方法 [期刊論文] -北京科技大學(xué)學(xué)報2007(01)
   6. Hikawa H A new digital pulse-mode neuron with adjustable activation function 2003(01)
   7. 夏長亮 基于 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的超聲波電機參數(shù)辨識與模型參考自適應(yīng)控制 [期刊論文] -中國電機工程學(xué)報2004(07)

作者：河南科技大學(xué) 李利歌 閻保定 侯韶劍 姚良沽