Implémentation Matérielle sur Cible FPGA des Algorithmes de Commande

Abstract

Cettethèse décrit une étude de recherche sur un système électromécanique avec saturation, où des contrôleurs hybrides flou et Contrôleur quadratique linéaire (LQR) avec action intégrale et anti-enroulement sont appliqués. L'étude se concentre sur la mise en œuvre de ce Contrôleur Logique Flou Intégral (IFLC) sur une carte (FPGA). Les contrôleurs flous, connus pour leur efficacité dans la gestion des perturbations et des saturations, sont utilisés dans une structure parallèle. Pour optimiser les performances du contrôleur, la technique d'optimisation par essaim de particules (PSO) est utilisée pour ajuster les fonctions d'appartenance et les gains de boucle de rétroaction. Les concepts algébriques complexes et les algorithmes de logique floue de Type 1 sont transformés en équations mathématiques adaptées au Langage de Description Matérielle VHSIC (VHDL). Le contrôleur proposé est co-simulé en utilisant les outils Vivado et Xilinx® System Generator (XSG) sur des plates-formes logicielles et matérielles. L'utilisation de la propagation de données à virgule fixe dans la structure du contrôleur garantit des méthodes de mise en œuvre optimisées. L'indice de performance de notre contrôleur dépasse celui d'un contrôleur conventionnel Proportionnel-Intégral-Dérivé (PID), démontrant une efficacité supérieure dans la régulation de la dynamique du système. Pour vérifier l'efficacité de la stratégie de contrôle proposée, une comparaison approfondie est effectuée en utilisant des simulations de contrôle entre celle-ci et les systèmes PID précédents. Les résultats montrent une diminution de 31% du dépassement de vitesse. --------- This thesis describes a research study on an electromechanical system with saturation, where fuzzy hybrid controllers and Linear Quadratic Regulator (LQR) with integral action and anti-windup are applied. The study focuses on the implementation of this Integral Fuzzy Logic Controller (IFLC) on a Field-Programmable Gate Array (FPGA) board. Fuzzy controllers, known for their effectiveness in handling disturbances and saturations, are used in a parallel structure. To optimize the performance of the controller, the Particle Swarm Optimization (PSO) technique is used to adjust the membership functions and feedback loop gains. Complex algebraic concepts and Type 1 fuzzy logic algorithms are transformed into mathematical equations suitable for the Very High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL). The proposed controller is co-simulated using Vivado and Xilinx® System Generator (XSG) tools on both software and hardware platforms. The use of fixed-point data propagation in the controller's structure ensures optimized implementation methods. The performance index of our controller surpasses that of a conventional Proportional-Integral-Derivative (PID) controller, demonstrating superior efficacy in regulating the system dynamics. To verify the effectiveness of the proposed control strategy, a thorough comparison is conducted using control simulations between it and previous PID systems. The results show a 31% decrease in speed overshoot. ----------- تصف هذه الرسالة دراسة بحثية حول نظام كهربي ميكانيكي مع التشبع، حيث يتم تطبيق متحكمات هجينة ضبابية ومنظم خطي تربيعي (LQR) مع عملية تكاملية ومضادة للتعطل. تركز الدراسة على تنفيذ هذا المتحكم المنطقي الضبابي التكاملي (IFLC) على لوحة مصفوفة البوابات قابلة للبرمجة الميدانية (FPGA). تُستخدم المتحكمات الضبابية، المعروفة بفعاليتها في التعامل مع التشويشاتوالتشبعات، في هيكل متوازٍ. لتحسين أداء المتحكم، يُستخدم تقنية تحسين تجمع الجسيمات (PSO) لضبط وظائف الانتساب والمكاسب الحلقة الراجعة. يتم تحويل المفاهيم الجبرية المعقدة وخوارزميات المنطق الضبابي من النوع 1 إلى معادلات رياضية مناسبة للغة الوصف الأجهزة الدائرية المتكاملة عالية السرعة (VHDL). يتم محاكاة المتحكم المقترح باستخدام أدوات Vivado و Xilinx® System Generator (XSG) على منصتي البرمجيات والأجهزة. يضمن استخدام انتشار البيانات ثابتة النقطة في هيكل المتحكم طرق تنفيذ محسنة. يتجاوز مؤشر الأداء لدينا أداء متحكم النسبة التكاملية التفاضلية النموذجي (PID)، مما يدل على فعالية متفوقة في تنظيم ديناميكية النظام. للتحقق من فعالية استراتيجية التحكم المقترحة، يتم إجراء مقارنة شاملة باستخدام محاكاة التحكم بينها وبين أنظمة PID السابقة. تظهر النتائج انخفاضًا بنسبة 31٪ في تجاوز السرعة.