本實(shí)用新型涉及工業(yè)控制領(lǐng)域，具體公開了一種工業(yè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器。

背景技術(shù)：

工業(yè)控制器通常用于石油、化工、冶金、輕工、發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)控制中，在工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備中占有極其重要的地位。隨著工業(yè)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)工藝變得日益復(fù)雜。由于工業(yè)被控對(duì)象本身所固有的慣性、時(shí)間滯后特性及其動(dòng)力學(xué)特性的內(nèi)部不確定性和外部環(huán)境擾動(dòng)的不確定性，使很多過(guò)程控制問(wèn)題復(fù)雜化。人們對(duì)工業(yè)過(guò)程總體性能，如控制精度、響應(yīng)速度、系統(tǒng)穩(wěn)定性及適應(yīng)能力的要求也不斷提高。在這種情況下，要想精確地描述復(fù)雜對(duì)象與系統(tǒng)的任何物理現(xiàn)象和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是十分困難的，因而傳統(tǒng)的建立在對(duì)象精確模型上的控制方法往往難以滿足閉環(huán)優(yōu)化控制的要求。

傳統(tǒng)的工業(yè)控制通常都采用PID控制，這是因?yàn)镻ID控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，控制效果好，穩(wěn)態(tài)精度高等特點(diǎn)，且PID算法原理簡(jiǎn)明，參數(shù)物理意義明確，理論分析體系完整，為廣大控制工程師所熟悉。但是傳統(tǒng)PID控制是基于準(zhǔn)確模型的，且系統(tǒng)特性變化與控制量之間是線性映射關(guān)系，所以PID控制在解決大時(shí)滯，參數(shù)變化大和非線性的過(guò)程控制問(wèn)題時(shí)無(wú)法獲得良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其很強(qiáng)的適應(yīng)于復(fù)雜環(huán)境和多目標(biāo)控制要求的自學(xué)習(xí)能力，并能以任意精度逼近任意非線性連續(xù)函數(shù)的特性引起控制界的廣泛關(guān)注。人們普遍意識(shí)到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論的研究和應(yīng)用在現(xiàn)代自動(dòng)控制領(lǐng)域中有著重要的地位和意義。并且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型，因而是解決不確定性系統(tǒng)控制的一種有效途徑。此外，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其高度并行的結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的強(qiáng)容錯(cuò)性和適應(yīng)性，對(duì)于給定的系統(tǒng)很容易處理，也易于與傳統(tǒng)的控制技術(shù)相結(jié)合。

傳統(tǒng)的工業(yè)控制器通常采用單片機(jī)等通用芯片作為處理器，而普通單片機(jī)的計(jì)算資源較少，其并行程度和計(jì)算速度無(wú)法滿足應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的實(shí)時(shí)性需求。鑒于工業(yè)控制的發(fā)展需求，迫切需要研制一種新型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器來(lái)克服上述方案的技術(shù)缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于提供一種工業(yè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，以解決上述背景技術(shù)中提出的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供如下技術(shù)方案：

一種工業(yè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，包括電源電路、3G通信模塊、RS485通信電路、單片機(jī)、FLASH芯片、LED指示燈、FPGA芯片、外部時(shí)鐘電路、信號(hào)調(diào)理電路、驅(qū)動(dòng)電路；所述電源電路與單片機(jī)及FPGA芯片連接，3G網(wǎng)絡(luò)通信接口與單片機(jī)連接，RS485通信電路與單片機(jī)連接，F(xiàn)LASH芯片與FPGA連接，LED指示燈與單片機(jī)相連，F(xiàn)PGA芯片與單片機(jī)相連接，外部時(shí)鐘電路與單片機(jī)和FPGA連接，信號(hào)調(diào)理電路與單片機(jī)連接，驅(qū)動(dòng)電路與單片機(jī)連接。

作為本實(shí)用新型進(jìn)一步的方案：所述工業(yè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的電源電路由LM5007芯片、LM1117-5芯片、LM1117-3.3芯片及外圍電子元件組成，能提供12V、5V、3.3V三個(gè)等級(jí)的電壓，分別為驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)外設(shè)、FPGA提供電源。

作為本實(shí)用新型進(jìn)一步的方案：所述工業(yè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的3G通信模塊采用華為EM770W，與單片機(jī)UART接口相連，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程升級(jí)單片機(jī)程序。

作為本實(shí)用新型進(jìn)一步的方案：所述工業(yè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的單片機(jī)與FPGA采用并行的方式傳輸數(shù)據(jù)，單片機(jī)的13個(gè)端口直接與FPGA的13個(gè)端口相連；單片機(jī)的端口1用作發(fā)送使能端，端口2用作讀入使能端，端口3用作讀入時(shí)鐘端。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：FPGA和單片機(jī)分別作為運(yùn)算核心和控制信號(hào)，具有強(qiáng)大的實(shí)時(shí)運(yùn)算能力；并且可以硬件描述語(yǔ)言以及原理圖等方式實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，靈活實(shí)現(xiàn)多種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略；設(shè)置了3G通信電路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程升級(jí)與維護(hù)，降低了維護(hù)成本。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的總體結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本實(shí)用新型的電源電路結(jié)構(gòu)框圖；

圖3為3G通信模塊的結(jié)構(gòu)框圖；

圖4為FPGA與單片機(jī)并行連接示意圖；

圖5為FPGA讀數(shù)據(jù)時(shí)序圖；

圖6為單片機(jī)讀入數(shù)據(jù)時(shí)序圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。

參閱圖1，一種工業(yè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，包括電源電路、3G通信模塊、RS485通信電路、單片機(jī)、FLASH芯片、LED指示燈、FPGA芯片、外部時(shí)鐘電路、信號(hào)調(diào)理電路、驅(qū)動(dòng)電路；所述電源電路與單片機(jī)及FPGA芯片連接，3G網(wǎng)絡(luò)通信接口與單片機(jī)連接，RS485通信電路與單片機(jī)連接，F(xiàn)LASH芯片與FPGA連接，LED指示燈與單片機(jī)相連，F(xiàn)PGA芯片與單片機(jī)相連接，外部時(shí)鐘電路與單片機(jī)和FPGA連接，信號(hào)調(diào)理電路與單片機(jī)連接，驅(qū)動(dòng)電路與單片機(jī)連接；

其中，信號(hào)調(diào)理電路用于將前級(jí)傳遞的電流信號(hào)、電壓信號(hào)統(tǒng)一調(diào)理為0～3.3V電壓信號(hào)，并與單片機(jī)的A/D采樣口連接；所述信號(hào)調(diào)理電路包括5路輸入端口，即該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最多可以有5個(gè)輸入變量。

參閱圖2，本實(shí)用新型的工業(yè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的電源電路由三部分構(gòu)成，分別由LM5007芯片、LM1117-5芯片、LM1117-3.3芯片及其外圍電子元件構(gòu)成。初級(jí)12V電壓由LM5007芯片產(chǎn)生，用于向驅(qū)動(dòng)電路提供電源；次級(jí)5V電壓由LM1117-5芯片產(chǎn)生，其輸入端與LM5007輸出端相連，輸出端與單片機(jī)5V外設(shè)相連；末級(jí)3.3V電壓由LM1117-3.3芯片產(chǎn)生，其輸入端與LM1117-5芯片輸出相連，輸出端與單片機(jī)和FPGA相連。

參閱圖3，本實(shí)用新型的3G模塊由華為EM770W與其外圍電路組成，由于EM770W模塊為5V電平，而dsPIC33FJ32GS606單片機(jī)是3.3V電平，因此采用一個(gè)74LVC4245芯片進(jìn)行雙向電平轉(zhuǎn)換。

所述RS485通信電路由收發(fā)器SN65HVD3082與單片機(jī)連接而成，該芯片為半雙工收發(fā)器，采用5V供電，具有較高的通信速率與抗干擾性能；控制器通過(guò)RS485通信電路與控制站進(jìn)行通信。

所述單片機(jī)采用dsPIC33FJ32GS606，該單片機(jī)是一款16為單片機(jī)，具有9路高速PWM輸出，以及12路高分辨率10位AD模塊。以該片單片機(jī)作為控制核心，能夠滿足一般工業(yè)控制中的信號(hào)處理與要求。

所述FPGA芯片采用Altera Cyclone IV-EP4CE115F29，該芯片采用了低成本、低功耗的FPGA架構(gòu)，內(nèi)含高達(dá)360個(gè)乘法器以及6.3Mb的嵌入式存儲(chǔ)器。將在上位機(jī)中訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型寫入FLASH芯片，初始化時(shí)FPGA將從FLASH芯片中載入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)。

參閱圖4，所述單片機(jī)與FPGA采用并行的方式傳輸數(shù)據(jù)，單片機(jī)的13個(gè)端口直接與FPGA的13個(gè)端口相連，其中端口1用作發(fā)送使能端，端口2用作讀入使能端，端口3用作讀入時(shí)鐘端。

參閱圖5，當(dāng)讀入使能端(READ_SN)為高電平而發(fā)送使能端(SEND_SN)為低電平時(shí)，F(xiàn)PGA在讀入時(shí)鐘(READ_CLK)控制下讀入主機(jī)數(shù)據(jù)，在每個(gè)讀入時(shí)鐘下降沿時(shí)更新一次數(shù)據(jù)，在檢測(cè)到讀入時(shí)鐘(READ_CLK)一次下降沿一次上升沿后讀入一幀數(shù)據(jù)，每一幀數(shù)據(jù)代表一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型變量。當(dāng)檢測(cè)到七組讀入時(shí)鐘(READ_CLK)下降沿和上升沿后即七個(gè)控制變量全部發(fā)送完成后，讀入使能端(READ_SN)變?yōu)闉榈碗娖紽PGA停止讀入。FPGA根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型運(yùn)算并將運(yùn)算所得到的控制量回傳至單片機(jī)。

參閱圖6，當(dāng)發(fā)送使能端(SEND_SN)為高電平而讀入使能端(READ_SN)為低電平時(shí)，單片機(jī)在讀入時(shí)鐘(READ_CLK)控制下讀入FPGA數(shù)據(jù)，在每個(gè)讀入時(shí)鐘下降沿時(shí)更新一次數(shù)據(jù)，在檢測(cè)到讀入時(shí)鐘(READ_CLK)一次下降沿一次上升沿后讀入一幀數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)到一組讀入時(shí)鐘(READ_CLK)下降沿和上升沿后即讀取完成后發(fā)送使能端(SEND_SN)由高電平變?yōu)榈碗娖街鳈C(jī)停止讀入。

所述驅(qū)動(dòng)電路用于輸出單片機(jī)產(chǎn)生的控制量所對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，單片機(jī)根據(jù)FPGA的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電路將控制信號(hào)放大。在本實(shí)用新型中，驅(qū)動(dòng)電路采用MCP14E4作為驅(qū)動(dòng)芯片，具有兩路輸入和兩路輸出，可輸出0～12V電壓信號(hào)。

本實(shí)用新型采用FPGA和單片機(jī)分別作為運(yùn)算核心和控制核心實(shí)現(xiàn)協(xié)同作業(yè)，增強(qiáng)了工業(yè)控制器的計(jì)算能力，使得復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論能夠運(yùn)用到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中；并且可以硬件描述語(yǔ)言以及原理圖等方式實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，靈活實(shí)現(xiàn)如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前饋、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制等多種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制策略；設(shè)置了3G通信電路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程升級(jí)與維護(hù)，降低了維護(hù)成本；

對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本實(shí)用新型不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本實(shí)用新型的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型。因此，無(wú)論從哪一點(diǎn)來(lái)看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本實(shí)用新型的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說(shuō)明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本實(shí)用新型內(nèi)。不應(yīng)將權(quán)利要求中的任何附圖標(biāo)記視為限制所涉及的權(quán)利要求。

此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說(shuō)明書按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說(shuō)明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見(jiàn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說(shuō)明書作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。