本發(fā)明涉及DC/DC直流轉(zhuǎn)換器的控制，特別是一種基于FPGA的DC/DC轉(zhuǎn)換器預測控制裝置及方法。

背景技術(shù)：
在燃料電池和光伏發(fā)電等新能源系統(tǒng)中，DC/DC轉(zhuǎn)換器有著廣泛的應用，是典型的弱電控制強電的設備，它負責將DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入端波動電壓或者電流，轉(zhuǎn)換成可以設定的輸出端穩(wěn)定電壓或者電流。常規(guī)的PID等控制方法存在參數(shù)難以整定，難以適應多變工況等問題。模型預測控制(ModelPredictiveControl，MPC)，是由Richalet等人于上世紀70年代提出的，是目前公認的處理復雜工業(yè)過程多變量約束控制的有效算法。它已經(jīng)從最初的工業(yè)應用發(fā)展成為了一門具有豐富內(nèi)容的新學科。其應用也從傳統(tǒng)的石油化工等行業(yè)延伸到機電、船舶、航空航天，智能交通等領域。預測控制具有顯式處理約束的能力，它基于對象模型對系統(tǒng)未來行為的預測，通過將約束加入到未來的輸入，輸出及狀態(tài)變量中，得以將約束顯式表達在一個可以在線求解的二次規(guī)劃問題中。由于預測控制對對象模型要求并不是很精確，使預測控制能夠應用于非線性系統(tǒng)，帶不等式約束，甚至多輸入，多輸出等對象模型時變的系統(tǒng)中。但現(xiàn)有的預測控制優(yōu)化算法一般適用于慢動態(tài)過程和帶有高性能計算機的環(huán)境。對于DC/DC轉(zhuǎn)換器等需要快速反應的系統(tǒng)，預測控制較大的在線計算量還不足以使其獲得成熟的應用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種基于FPGA的DC/DC轉(zhuǎn)換器預測控制裝置及方法，本發(fā)明裝置集成度高，體積小，本發(fā)明方法能夠?qū)崿F(xiàn)對DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓或者電流的精確控制。實現(xiàn)本發(fā)明目的采用的技術(shù)方案是：一種基于FPGA的DC/DC轉(zhuǎn)換器預測控制裝置，包括讀寫控制單元，用于對內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀寫和預測控制矩陣的并行運算；矩陣并行運算單元，與所述讀寫控制單元連接，用于根據(jù)所述讀寫控制單元的讀寫控制信號完成并行優(yōu)化運算；接口單元，與所述矩陣并行運算單元連接，用于接收矩陣并行運算單元輸出的實時占空比信號，并轉(zhuǎn)換成多路PWM信號輸出；以及驅(qū)動模塊，與所述接口單元連接，用于接收所述多路PWM信號，并根據(jù)所述多路PWM信號控制DC/DC轉(zhuǎn)換器中的IGBT的通斷，實現(xiàn)對所述DC/DC轉(zhuǎn)換器的預測控制。進一步地，所述基于FPGA的DC/DC轉(zhuǎn)換器預測控制裝置還包括：上位機，通過串口與所述接口單元連接，根據(jù)需要使用鍵盤在上位機中輸入電流電壓的設y定r值以及占空比參考值，將使輸ur出穩(wěn)定在該設定值，所述上位機用于將電流和電壓設定值輸出至所述接口單元，以及接收并顯示所述上位機的輸出電壓、電流值和占空比信號。進一步地，所述基于FPGA的DC/DC轉(zhuǎn)換器預測控制裝置還包括：采集板，與DC/DC轉(zhuǎn)換器連接，所述采集板用于采集所述DC/DC轉(zhuǎn)換器的電壓和電流信號；以及A/D轉(zhuǎn)換模塊，連接于所述采集板與所述接口單元之間，用于將所述采集板采集的電壓和電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸至所述接口單元。在上述技術(shù)方案中，所述矩陣并行運算單元包括：一個RAM，用于存儲計算過程中實時更新的變量；八個ROM，用于同時存儲計算過程中的矩陣定量；八個MAC乘加器，分別與所述八個ROM連接，且所述八個MAC乘加器均與所述RAM連接；以及約束計算模塊，與所述八個MAC乘加器的輸出連接，所述約束計算模塊的輸出端與所述接口單元連接。在上述技術(shù)方案中，所述讀寫控制單元包括：時序控制模塊；讀內(nèi)存控制模塊，用于接收來自所述時序控制模塊的命令調(diào)用RAM和八個ROM對應地址的數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)送入MAC乘加器參與運算；以及寫內(nèi)存控制模塊，用于將約束計算的中間變量存入RAM。此外，本發(fā)明還提供一種基于FPGA的DC/DC轉(zhuǎn)換器預測控制方法，該方法包括：根據(jù)DC/DC轉(zhuǎn)換器的模型計算出相應的平均狀態(tài)空間方程，獲得A，B，C，D矩陣；在MATLAB仿真中，基于所述平均狀態(tài)空間方程模型，通過仿真調(diào)節(jié)求出最優(yōu)的控制權(quán)矩陣P和誤差權(quán)矩陣Q，yr表示輸出電流或者電壓值的設定值，ur是占空比參考值。并通過下式計算出預測控制所需的神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化的矩陣參數(shù)s、t和W，存于FPGA中，t＝-2ΓTQyr-2PTurW＝KH-1KTH＝2(ΓTQΓ+P)上式中，K是8*8的單位矩陣，Γ和是預測控制的初始化矩陣，求得DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電流和電壓的估計值，再根據(jù)f＝s*x(k)+t計算出f矩陣，存入所述FPGA相應的RAM地址；x(k)代表該時刻的電流電壓值；讀控制模塊根據(jù)時序控制模塊所發(fā)出的信號讀取相應RAM里面的數(shù)據(jù)送入MAC乘加器，并通過下式計算出q和Px，q＝-K*H-1*f；Px＝W*λ+q-λ；u＝H-1[K*μ*(Px_f-Wλ-q)dt-f]；將計算的結(jié)果Px進行約束處理后,得到Px_f,再次存入RAM，重復該步驟，直到達到優(yōu)化次數(shù)，使得λ穩(wěn)定，以此實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡的優(yōu)化運算，此時得到符合預測控制要求的占空比控制量u；μ是拉格朗日乘子，通過接口單元將計算得到的占空比控制量u輸出至DC/DC轉(zhuǎn)換器，用于控制DC/DC轉(zhuǎn)換器中IGBT的通斷，實現(xiàn)對DC/DC轉(zhuǎn)換器的預測控制。在上述技術(shù)方案中，通過接口單元將計算得到的占空比控制量依次傳送給PWM波形輸出模塊和驅(qū)動模塊，所述驅(qū)動模塊將PWM波形輸出模塊的0～5v驅(qū)動信號放大至-10～15v，放大后的驅(qū)動信號傳送至輸出至DC/DC轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明基于FPGA的DC/DC轉(zhuǎn)換器預測控制裝置采用模塊化的結(jié)構(gòu)，集成度高，體積小，由于采用了IP核，更加安全；本發(fā)明基于FPGA的DC/DC轉(zhuǎn)換器預測控制方法采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化的預測控制算法，能夠?qū)崿F(xiàn)對DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓或者電流的精確控制。附圖說明圖1為本發(fā)明基于FPGA的DC/DC轉(zhuǎn)換器預測控制裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明基于FPGA的DC/DC轉(zhuǎn)換器預測控制方法的流程圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。如圖1所示，本發(fā)明基于FPGA的DC/DC轉(zhuǎn)換器預測控制裝置包括：FPGA、監(jiān)控上位機、分別與DC/DC轉(zhuǎn)換器連接的采集板和驅(qū)動板。本實施例所用FPGA采用Altera公司的EP4C系列FPGA，該FPGA包括：讀寫控制單元、矩陣并行運算單元、I/O接口、卡爾曼濾波器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、PWM波形輸出模塊，I/O接口與監(jiān)控上位機連接，A/D轉(zhuǎn)換模塊與采集板連接，PWM波形輸出模塊與驅(qū)動板連接。其中，所用讀寫控制單元包括時序控制模塊、讀內(nèi)存控制模塊和寫內(nèi)存控制模塊，讀內(nèi)存控制模塊和寫內(nèi)存控制模塊分別與時序控制模塊連接。矩陣并行運算單元包括：一個RAM、八個ROM、八個MAC乘加器和約束計算模塊，八個MAC乘加器分別與所述八個ROM連接，且八個MAC乘加器均與RAM連接，約束計算模塊與八個MAC乘加器的輸出連接，約束計算模塊的輸出端與I/O接口連接。矩陣并行運算單元根據(jù)讀寫控制單元的讀寫控制信號來完成相應的約束和優(yōu)化運算，其中RAM用來存儲計算過程中實時更新的變量，如f和電流電壓值；八個ROM用來同時存儲計算過程中的矩陣定量，包括s，t和W。讀寫控制單元實現(xiàn)對內(nèi)存數(shù)據(jù)的讀寫和預測控制矩陣的運算，讀控制模塊接收來自時序控制模塊的命令調(diào)用RAM和八個ROM對應地址的數(shù)據(jù)，并將其送入MAC乘加器參與運算，由于八個MAC同時參與矩陣計算，可以方便地實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡的并行運算；寫控制模塊將約束計算的中間變量存入RAM，寫入完成后，時序控制模塊觸發(fā)下一次讀控制，DC/DC轉(zhuǎn)換器的主板上設有電流和電壓傳感器、電流傳感器和電壓傳感器，本實施例所用電流傳感器為CHB-300SF型號的霍爾電流傳感器，電壓傳感器為CHV-25P型號的霍爾電壓傳感器。采樣板對電流傳感器和電壓傳感器采集的電流和電壓信號進行處理，并將處理后的信號后輸出至A/D轉(zhuǎn)換模塊。A/D轉(zhuǎn)換模塊將采樣板接收到的來自DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓和電流0-3V采樣值轉(zhuǎn)換成16位數(shù)字信號并經(jīng)過卡爾曼濾波器濾波后，傳遞給讀寫控制單元進行下步運算。本實施例所用驅(qū)動板為基于2SC0435T2A0-17的IGBT驅(qū)動，用于將PWM波形輸出模塊的0～5V驅(qū)動信號放大成-10V～15V，采用高性能隔離型IGBT驅(qū)動器。本發(fā)明通過上述基于FPGA的DC/DC轉(zhuǎn)換器預測控制裝置實現(xiàn)預測控制的方法，包括以下步驟：首先在MATLAB軟件中根據(jù)DC/DC轉(zhuǎn)換器的模型計算出相應的平均狀態(tài)空間方程，獲得A，B，C，D矩陣，在MATLAB仿真中求出最優(yōu)的權(quán)矩陣P和誤差權(quán)矩陣Q，并依此計算出預測控制所需的神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化的矩陣參數(shù)s(8*2矩陣)、t(8*1矩陣)和W(8*8矩陣)，存于FPGA內(nèi)部開辟的8個ROM中，一個ROM存儲矩陣的一行8個數(shù)據(jù)，每行的數(shù)據(jù)在同一時刻同時參與運算；神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化的矩陣參數(shù)s、t和W通過下式計算：t＝-2ΓTQyr-2PTurW＝KH-1KTH＝2(ΓTQΓ+P)上式中，K是8*8的單位矩陣，Γ和是預測控制的初始化矩陣，yr表示輸出電流或者電壓值的參考值，ur是占空比參考值。采樣板對DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓和電流進行采樣后得到采樣值，該采樣值經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成16位數(shù)字量，經(jīng)過卡爾曼濾波器后，求得電流和電壓的估計值，再根據(jù)f＝s*x(k)+t計算出f矩陣，存入所述FPGA相應的RAM地址；x(k)代表該時刻的電流電壓值。讀控制模塊根據(jù)時序控制模塊所發(fā)出的信號讀取相應RAM里面的數(shù)據(jù)送入MAC乘加器，并通過下式計算出q和Px，q＝-K*H-1*f；λPx＝W*λ+q-λ；將計算的結(jié)果Px進行約束處理后，得到Px_f,再次存入RAM，重復該步驟，直到達到優(yōu)化次λ數(shù)，使得穩(wěn)定，以此實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡的優(yōu)化運算，此時得到符合預測控制要求的占空比控制量u；u＝H-1[K*μ*(Px_f-Wλ-q)dt-f]；μ是拉格朗日乘子，通過I/O接口單元將計算得到的占空比控制量u輸出至DC/DC轉(zhuǎn)換器，用于控制DC/DC轉(zhuǎn)換器中IGBT的通斷，實現(xiàn)對DC/DC轉(zhuǎn)換器的預測控制。