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毕业设计 基于FPGA的温度采集控制系统的软件设计 共75页19664字
前　言
随着现代生活水平的提高，人民愈来愈注重生活的质量。现在高档社区里普遍的拥有暖气、冷气。但是如果手动的控制暖气、冷气的开度极为的不便，温度的控制调节正影响着我们的生活质量。因此室内温度的智能控制一直来是大家关注的热点，也是研究设计的难点。本设计文就试图在FPGA上完成室内温度采集控制系统的设计。它具有温度自由设定、温度数码显示等功能。系统误差小，反应速度快，控制效果明显。
温度是生活、工业生产当中经常遇见的控制参数，它具有明显的大惯性、变参数、非线性特征，很难对其建立精确的数学模型。在生产领域，温度的控制是较为关键的控制部分，它极有可能影响产品工艺流程，也直接关系到产品的好坏，特别是在冶金、化工、固态加工等方面。采用传统的PID控制算法，对于数学模型已知的对象能够取得良好效果，系统响应迅速、稳态误差小，而对于数学模型未知的温度控制系统来讲，参数整定困难，外界干扰因素多，难以达到要求的控制精度。但是控制难度大并不能阻止我们寻找解决它的好方法。随着智能控制技术的发展让我们看到战胜温度这类大惯性、变参数、非线性控制象的希望。本设计即试图采用模糊控制技术来实现室内温度采集控制系统的控制。
最近几年来，智能控制技术得到大家的普遍关注。其应用、发展呈蓬勃之势，尤其是在机电产品设计中。国内外应用模糊控制技术的产品应接不暇，极大的促进了国民经济的发展。日本、美国、西欧和中国在模糊控制的生产应用上取得了巨大的成功，成为这方面上的领跑者。可以预见模糊控制技术等智能控制技术将成为未来控制设计的宠儿。
模糊控制是把人的思维，知识经验通过模糊语言变量，进行模糊推理形成控制规则，能适应于不易获得精确数学模型、时滞的被控对象。很适合对温度的控制。但常用的位置式模糊控制器缺乏积分作用，会出现不平滑现象，考虑本设计的精度要求，我们采用积分环节与模糊控制器并联控制。
模糊控制器主要由四部分组成：模糊化、模糊推理、清晰化和知识库。模糊化的作用是将输入的精确量转换成模糊化量，并用相应的模糊集合来表示。模糊推理是模糊控制器的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力。该推理过程是基于模糊逻辑中的蕴涵关系及推理规则来进行的。清晰化的作用是将模糊推理得到的控制量变换为实际用于控制的清晰量。知识库中包含了具体应用领域的知识和要求的控制目标。它通常由数据库和模糊控制规则库两部分组成。在模糊控制中，一般通过用一组语言描述的规则来表示专家的知识，专家知识通常具有如下的形式：IF(满族一组条件)THEN(可以推出一组结论)。
FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列。它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA采用并行工作模式，极大地提高了芯片与外部信息的交换速度，有利于设计整体性能的提高。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。本设计计划在FPGA上实现控制算法。FPGA芯片的使用有着诸多的好处，它内部有丰富的触发器和I/O引脚，同时具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，极大地提高了系统设计的灵活性和通用性。如果用户需求量非常大，采用ASIC流片能极大地节省成本，经济效益十分显著。
该题目来源于生产实际，要求采用FPGA完成一个温度控制系统的控制方案设计和VHDL代码设计。题目综合性、创新性、实践性较强，通过本次设计培养学生正确的设计思想、方法、创新能力及科学态度，强化学生的电子设计、自动控制技术、FPGA技术等方面的能力。它要求我们做到以下两点：
1、在MATLAB上完成模糊控制算法的设计，并通过在Simulink上的仿真
2、在Xilinx公司提供的软件开发平台Xilinx ISE 10.1上编写实现温度采集处理、模糊控制算法、控制信号输出的VHDL代码，并完成在ModelSim上的调试、仿真。

目　录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪 论 1
1.1 设计的主要内容 1
1.2 国内外的研究现状 1
1.3 目前研究工作中存在的问题 3
第2章 设计方案的选择 3
第3章 设计方案的实现 5
3.1 模糊控制在MATLAB上的仿真 5
3.1.1 模糊控制器输入、输出量设计 6
3.1.2 模糊规则设计 9
3.1.3 模糊控制查询表设计 10
3.1.4 Simulink仿真 12
3.2 控制器在FPGA上的实现 13
3.2.1 VHDL代码编写 13
3.2.2 modelsim总体仿真 35
第4章 结论与展望 41
致　谢 42
参考文献 43
附 录 44

摘 要
针对室内温度控制需求，设计了一个基于FPGA的模糊控制器，利用模糊控制器实现了室内温度的智能控制。利用MATLAB完成了模糊控制器的设计与仿真，并在Xilinx公司FPGA设计平台Xilinx ISE 10.1上完成了VHDL代码编写，并给出了在ModelSim上的仿真结果，仿真结果满足控制要求。结果显示此模糊控制器对于非线性、大滞后、物理模型不精确的室内温度控制取得了很好的控制效果。
关键词：温度控制，FPGA，模糊控制器，MATLAB仿真