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关键词： 自然语言处理   Transformer   FPGA   模型压缩   软硬件协同优化  

摘要： 最近,基于Transformer的模型表现出很好的性能。但是由于它所需要的巨大的存储、计算以及资源消耗,使其无法很有效地部署在嵌入式设备上。FPGA因其能量效率高、开发周期快、可重构等优点被广泛应用于加速深度学习算法。然而,FPGA具有非常有限的片上内存,这给模型的部署带来了很大的挑战。此外,各种类型的FPGA硬件设备逐渐涌现。对于具有不同约束要求的Transformer模型,可以将其部署到具有不同计算能力的设备上。在之前的工作中,研究人员对设备问题考虑较少。因此为了最大化利用设备,选择合适的设备也是值得考虑的问题。为了解决Transformer在FPGA上的部署挑战和最佳设备的选择问题,本文首次尝试提出了一种软硬件协同加速框架,它结合了软件层面的模型剪枝技术和硬件层面的FPGA加速设计。该框架在模型剪枝率和硬件资源之间进行权衡来实现协同优化。本文主要的工作如下:第一,本文提出了一个软硬件协同优化的加速框架。用户可以输入约束（时延约束LC,准确度约束AC）、模型和数据集,此框架可以输出一个压缩后的模型,和部署模型的最佳设备。第二,本文的加速框架中提出了一种新颖的对硬件友好的权重剪枝方法,命名为HP（Hierarchical Pruning）。它能够在保证模型准确度的情况下,大幅度降低Transformer模型冗余的参数,从而降低计算量和存储开销。第三,本文的加速框架对稀疏矩阵存储格式进行了优化,新的存储格式为WMark。这种方法结合了剪枝方法HP的矩阵稀疏模式,是由现有的稀疏矩阵存储格式MBR优化而来的。优化之后的格式可以显著减少内存使用量,并且比常用的格式性能更好。第四,本文设计了一个针对稀疏模型的FPGA加速器。这个加速器的设计是基于剪枝方法HP和稀疏矩阵存储格式WMark,解决了稀疏矩阵并行的内存访问冲突问题。实验结果表明,本文提出的权重剪枝方法HP比别人的工作表现出更好的性能。本文优化的稀疏矩阵存储格式WMark可以实现1.5 ×-2.5×的内存使用量降低。本文的FPGA加速器设计比CPU相比可以实现高达37×的加速,与GPU相比可以实现1.9×的加速。本文的加速系统也可以在不同的约束下找到最佳设备。

关键词： 气动阀门定位系统   系统建模   非线性特性   模糊PID控制   遗传算法  

摘要： 气动阀门作为工业过程控制中的“咽喉”,其调节精度和响应速度决定着整个生产环节的产品质量和生产效率。随着现代过程工业对于阀门定位控制性能要求的不断提高,研究具有高精度和高鲁棒性的定位控制算法及其相应的系统软硬件设计方法具有重大意义与价值。为此,本文以提高气动阀门定位系统的控制性能为目标,对其定位控制算法及其系统软硬件设计方法展开了研究,主要内容包括:(1)分析了气动阀门定位控制系统的组成结构与工作原理,介绍了系统的硬件组成与设备选型。研究并设计了以STM32L476VCT6低功耗微处理器为核心的系统硬件控制电路,主要包含二线制电源电路、主控单元电路、信号采样与信号输出电路四部分,并给出了详细的电路原理图和PCB版图。(2)研究了系统数学模型的建立和辨识方法。首先,在深入分析了系统核心部件的工作机理以及系统中广泛存在的非线性特性的基础上,建立了基于一阶惯性环节加包含滞后、死区和粘滞特性的系统近似数学模型。其次,通过对系统进行相应的开环实验,获取了能够表征系统线性和非线性特性的输入输出数据。最终,利用最小二乘法等辨识方法得到了系统模型的具体参数,并验证了其准确性与稳定性。(3)研究了气动阀门的定位控制算法。针对传统PID控制在此类非线性系统中无法在线整定参数和模糊PID控制无法解决系统时滞特性以及自适应能力有限的问题,提出了一种基于改进遗传算法优化的变论域模糊PID-Smith控制算法。该算法通过引入变论域思想和Smith预估器以提高模糊PID控制的自适应能力并补偿滞后环节,同时针对论域伸缩因子难整定的问题,加入多种群和自调节交叉变异概率的改进型遗传算法对其进行参数寻优,在改善传统遗传算法早熟现象的同时,以获取最优的控制器参数。针对系统固有的死区特性与可能存在的粘滞特性分别设计了逆死区补偿算法和基于控制器积分冻结的改进型Knocker信号补偿算法。经MATLAB仿真分析,提出的控制算法相较传统PID控制和模糊PID-Smith控制能够有效提高系统的动态性能,具有更强的鲁棒性和抗干扰能力,且两种补偿算法均能起到有效的补偿效果。(4)进行了气动阀门定位控制系统的嵌入式软件设计和系统的Lab VIEW上位机软件设计,搭建了用于测试气动阀门定位控制算法的系统软硬件实验平台。闭环实验测试结果表明,提出的控制算法应用于该平台能够完成对阀位的连续控制,且相较传统PID控制具有更好的动态性能和更高的控制精度。本文开展的研究工作,为高性能气动阀门定位控制系统的研制提供了一种新的实现方案,所涉及的技术与方法对未来的相关研究具有一定参考价值。

关键词： 触摸屏PLC一体机   硬件设计   PLC程序设计   触摸屏显示界面设计  

摘要： 钻机的发展是国家工业生产的重要组成部分,而钻机自动化和智能化则是智能制造非常重要的体现。在水井钻机电气控制系统中引入触摸屏和PLC (Programmable Logic Controller)技术,能够很好地满足钻机的工艺需求,进一步提高人机交互的智能体验,特别是触摸屏PLC一体的使用,为智能化水井钻机的发展作出了重大贡献。基于此,本文将从触摸屏PLC一体机选型、工作原理、钻机控制系统硬件设计、PLC程序设计和触摸屏界面显示设计等方面对水井钻机的控制系统设计进行详细的探讨和研究,设计出一种基于触摸屏PLC一体机的水井钻机控制系统,以期满足更多用户的实际供暖需求,具有较好的应用价值。

关键词： 工业机器人   人体上肢操作技能迁移系统   硬件设计   软件开发   主从臂异构映射  

摘要： 机器人是一种以人为仿生对象，能够协助或代替人类完成高重复性和高可靠性工作的机械装置，在工业生产和智能制造中有广阔的应用前景。为适应新一代智能制造的发展趋势，“机器换人”成为企业转型升级和提升竞争力的重要举措，然而在企业的转型升级中，机器人的应用部署对企业员工提出了较为苛刻的机器人专业知识和技能要求，导致难以实现高效的机器人应用与部署。因此，开展人性化、易于操作的机器人技能迁移方法和系统的研究具有实际的研究价值和研究意义。本文依托于国家自然科学基金项目“面向智能制造的人-机共融装配技能泛化能力提升方法研究(52175489)”,开展面向工业机器人的人体上肢操作技能迁移系统设计与研究，旨在设计并研制能够对机器人进行直观示教和高效技能迁移的系统，为机器人的快速应用部署提供可参考的方法和解决方案。　　本论文开展了面向工业机器人的人体上肢操作技能迁移系统设计与研究，以埃夫特ER3B-C30型机器人为研究对象，针对外骨骼主臂映射出的机器人腕关节位置超出其可达空间导致机器人无法逆解的问题，提出一种基于连杆位姿约束主从臂异构映射方法;利用C#语言开发了基于连杆位姿约束异构映射方法的外骨骼遥操作技能迁移软件，基于SolidWorks软件研制了外骨骼硬件装置，最终构建了一套基于外骨骼遥操作的机器人技能示教和技能迁移系统，并基于构建的系统开展了一系列的实验研究，主要工作总结如下：　　(1)技能迁移系统方案设计与理论研究。设计基于外骨骼的技能迁移系统总体方案;以埃夫特ER3B-C30型工业机器人为示教对象，以人体上肢外骨骼为遥操作示教主臂，建立了基于D-H方法的运动学模型;基于建立的模型进行正运动学研究，基于解析法进行机器人的逆运动学研究;进行笛卡尔空间的主从臂异构映射理论研究;基于动态运动基元进行技能迁移理论研究。　　(2)基于连杆位姿约束的主从臂异构映射方法。提出一种基于连杆位姿约束的主从臂异构映射方法，确定连杆位姿约束主从臂异构映射方案;将连杆位姿约束用于基于外骨骼的异构遥操作系统中，求解机器人腕关节和末端的映射位置;基于机器人末端和腕关节位置进行机器人逆运动学研究;实现了机器人腕关节可达空间内外骨骼与机器人手连杆的位姿一致性映射，和实现机器人腕关节可达空间外的有效逆解和末端位置一致性映射。　　(3)外骨骼遥操作技能迁移系统设计与实现。基于SolidWorks软件设计了人体上肢外骨骼的3D模型，搭建了外骨骼硬件装置，包括肩关节组件，肘关节组件和腕关节组件;基于C#编程语言设计了外骨骼遥操作技能迁移软件，主要包括外骨骼运动采集模块、连杆位姿约束映射模块、机器人运动控制模块和技能学习模块。　　(4)外骨骼遥操作技能迁移实验研究。搭建了基于人体上肢外骨骼和工业机器人的连杆位姿约束异构映射实验装置;开展了异构映射仿真对比实验，仿真结果验证了提出的映射方法实现主从臂异构映射的有效性;开展了连杆位姿约束异构映射实验，实验结果显示，遥操作系统的平均位置误差小于0.48 mm,进一步验证了提出的映射方法实现主从臂异构映射的有效性。进行了技能迁移轨迹实验，实验结果表明，技能迁移系统能有效完成操作者技能的迁移，验证了外骨骼遥操作技能迁移系统的有效性。

关键词： 格密码算法   多项式乘法器   数论变换   硬件设计  

摘要： 万物互联时代,各类密码算法是保障信息安全的重要力量。经过长期发展,公钥密码算法和对称密码算法已日趋成熟,并广泛应用于互联网、金融安全等领域。近年来随着量子算法的出现,使得攻破作为传统密码学安全性根基的困难问题成为可能。学界纷纷转向于抗量子密码算法,其中作为最具代表性的基于格的密码算法,更是得到了重点研究。然而格密码算法的计算开销很大,软件计算速度慢,难以满足应用中的性能需求。作为格密码算法中计算量最大的部分,多项式乘法的快速计算将有助于提高格密码算法的整体计算速度。本文针对格密码算法多项式乘法硬件加速器进行了研究和设计实现。基于数论变换（Number Theoretic Transform,NTT）的多项式乘法因其在计算时的时间复杂度最低且计算规模相对较小的特点,而受到了广泛关注。NTT作为该算法中计算量最密集的部分,然而现有加速方案存在运算性能较低、硬件资源开销大等问题,亟需进一步研究对NTT进行优化以提升多项式乘法器的性能。本文首先针对NTT算法中模乘运算性能较差的问题,提出了一种具有流水线结构的蒙哥马利模约简单元,以实现快速的模乘计算。然后,为了提高NTT模块的吞吐率,本文在NTT硬件模块中采用分块存储技术,使计算单元能够对存储交替进行数据读写以实现乒乓操作。基于本文设计的NTT模块,还提出了一种适用于本文硬件架构的预计算参数存储和实时计算方法,该方法在不降低整体性能的前提下将部分参数实时计算以减少所需的内存。最后,本文实现了基于NTT硬件模块的多项式乘法器硬件,并对其进行功能仿真和基于FPGA的性能评估。实验结果表明,在性能方面,与现有的多数方案相比,本文设计的多项式乘法器计算速度提升约1至3倍;而对比现有性能更优的设计,所使用的Slice资源和存储资源分别减少约60%与17%。

关键词： 储运监测   煤层气   硬件设计   振动分析   分类识别  

摘要： 煤层气(CoalbedMethane,CBM)作为一种优质的清洁能源，我国现有储量巨大，其开发利用有利于提高我国能源保障，降低进口依赖。储运是煤层气开发利用的关键环节，煤层气在一定浓度下遇高温明火易爆的物化特性决定储运设备在储运过程中需要保证其所处环境的温湿度正常，需要实时监测储运设备所受到的振动并进行识别以及时应对危险冲击。传统仓库和煤层气储罐虽然安装了温度、湿度和压力检测仪表，但是通过人工抄录的方法已经无法满足精确性、实时性和高效率的需求。为此，文章设计了一种煤层气储运过程环境参数监测系统，对全程振动和温湿度等数据进行监测。系统主要包括电源管理设计、传感器数据采集及存储设计、数据传输设计和声光预警设计。具体研究工作主要分为：首先，从LNG/L-CNG加气站流程出发，对煤层气储运设备及环境进行分析，结合煤层气储运监测需求，提出监测系统整体设计方案，系统通过温湿度传感器、振动加速度传感器和磁强计对储运环境参数进行监测，并将检测数据在本地进行处理分析和存储，同时通过无线通信方式传输至数据处理PC端进一步分析;然后，针对煤层气储运监测过程时间长、数据量大的特点，系统做了低功耗设计、电路自检设计、声光预警设计、红外无线传输设计和SD卡结合Flash存储设计，以保障煤层气运输和监测数据安全;最后，将监测系统在仓库和道路环境下进行数据检测测试，验证了其可靠性和精度，并设计了振动数据分析模型，对运输过程中可能遭遇的冲击进行分类识别。　　同时在煤层气储运多元化动态数据实时采集的基础上，结合机器学习模型，针对振动非平稳动态信号的关键信息难以有效辨别这一难题，提出了一种基于变分模式分解(VariationalModeDecomposition,VMD)降噪和鲸鱼优化算法(WhaleOptimizationAlgorithm,WOA)优化支持向量机(SupportVecterMachine,SVM)模型的分类识别方法。该算法首先利用VMD将非平稳时域信号分解为多个模态函数(VariationalIntrinsicModeFunction,VIMF)，计算各模态与原信号的相关系数并排序重构，依据重构信号与原信号的相关系数大小对非平稳信号进行模态滤波;然后，利用WOA对SVM的惩罚系数c和核函数系数γ两个关键参数进行优化，最后利用优化模型对非平稳信号的冲击和振动进行分类识别。对比试验结果表明，所提出的VMD-WOA-SVM分类识别方法收敛速度更快，可以更准确的识别关键数据，识别精度达到96.66%。系统通过学习数据特征和可配置参数，以达到数字化、智能化、高精度动态安全监测和管理的目的。

关键词： 水声定位浮标   自适应陷波滤波   信号检测   Compact-RIO   labview  

摘要： 合作目标水声定位系统是以同步方式工作的长基线定位系统。工作时,浮标信号处理平台对合作目标发射的脉冲信号进行时延估计并将其传递给显控平台,显控平台利用各个浮标平台上传的时延信息进行几何交汇解算从而获得目标方位。本文主要研究浮标信号处理平台的信号处理算法以及软硬件功能的设计与实现。浮标信号处理平台的主要任务是对合作目标发出的多频点CW脉冲进行滤波、检测与参数估计。本文首先研究单通道自适应陷波滤波器和多通道自适应陷波滤波器的原理。随后在分析瞬时频率方差检测器原理的基础上,针对通道串漏现象提出联合检测的方法。之后针对相位补偿法时延估计与频点自跟踪自适应频率估计器的原理进行仿真分析。其次在分析系统功能需求和技术指标的前提下,本文对浮标信号处理硬件平台进行了硬件组成结构设计,并以此为基础对各硬件功能模块的选型与设计进行详细的阐述。随后对浮标信号处理平台的软件功能需求进行了分析,并设计了软件功能框架。根据功能可以将浮标软件功能分为信号处理软件和辅助功能软件。之后介绍了软件开发的关键技术,并以此为基础对浮标各软件功能进行了设计与实现。最后,本文对浮标信号处理平台的硬件指标进行了测试。通过电模拟器联调与湖试对信号处理算法进行了验证。本文设计的浮标信号处理平台能够完成定位系统的各项功能要求。

关键词： 高速数字系统设计   FPGA   万兆以太网   网络安全防护  

摘要： 随着云计算、物联网、大数据等信息化技术的快速发展,人们对网络终端设备的依赖性日益增加,社区、企业、学校等场景下的网络数据环境日益复杂。由于缺乏对网络数据的监控与管理,诸如数据泄露、DDo S攻击、家用摄像头入侵等网络安全问题日益凸显。目前,基于软件层面的传统网络数据监控与管理方案具有处理能力、处理时延、资源消耗等方面的局限性。结合应用场景与项目需求,本文自主设计并实现了一套基于FPGA的网络数据管理硬件平台,在满足项目需求的同时,从系统架构、处理能力、处理时延、可拓展性、资源占用率等方面对现有方案进行了改进。网络数据管理硬件平台是自主设计的12层PCB电路板,采用Xilinx公司的Kintex FPGA芯片和Zynq So C芯片作为核心处理器。板载12片DDR3存储颗粒、1个PCIe Gen2.0 x8接口、两个SFP+万兆以太网接口、三个10/100/1000M自适应网口等外设与接口。整板包含1871个电子元器件、1187个信号网表、5922个信号连接、27路供电电源以及多路速率可达10.3125Gbps的高速信号。本文结合理论分析与仿真验证对PCB布局布线设计进行严格约束,最终克服了高速数字系统中SI、PI、EMC等方面的问题,完成了硬件平台的设计。基于该硬件平台,本文完成了可编程逻辑与软件系统的开发。可编程逻辑部分,本文通过Verilog HDL硬件描述语言在FPGA中实现了网络数据转发与过滤、网络数据流量统计、异常网络数据检测与捕获等功能。软件系统开发部分,本文基于C语言、***、Win Driver等编程语言或平台,完成了数据传输与存储、配置与显示界面以及PCIe驱动程序的设计。综上,本文完成了网络数据管理硬件平台设计、FPGA可编程逻辑设计以及上位机软件开发等工作,为学校、企业、社区等应用场景下的网络数据监控与管理需求提供了基于硬件的解决方案,具有较强的可拓展性与较高的实际应用价值。

关键词： 悬臂式斗轮堆取料机   自动控制系统   硬件设计   软件开发  

摘要： 悬臂式斗轮堆取料机是大型的港口装卸设备。广泛应用于港口、码头、火电厂等作业场合，发挥着重要作用。斗轮堆取料机在生产环节中起着承上启下的作用，其能力的大小直接影响生产作业效率，与企业的生产效益息息相关。本课题以嘉兴独山码头的一台斗轮机为研究对象，对整机的自动控制系统进行设计，降低运行故障率，全面提高整机自动化水平。　　对斗轮堆取料机控制系统的发展和国内外研究内容进行分析，研究斗轮堆取料机整体构架，包括行走机构、回转机构和悬臂皮带机构等部件。对斗轮堆取料机堆取料作业工艺进行研究，根据现场作业工况分析系统功能需求，建立斗轮堆取料机回转机构的数学模型。在回转系统数学模型的基础上，对斗轮堆取料机稳定取料的需求进行分析，研究1/cosα调速和PID控制算法的性能及其不足，设计出基于BP神经网络PID的取料控制方法。　　根据斗轮堆取料机的实际作业工况和控制需求，本文设计了以ControlLogix PLC为核心控制单元的自动控制系统，设计整机网络化控制方案。通过现场总线技术，实现PLC主从双极控制、PLC与变频器的数据传输以及人机交互，辅以保护限位、编码器等技术，设计全新的自动控制系统。分析制约斗轮机自动化的因素，设计自动锚定、自动加水等机构提升设备自动化水平。　　本文对斗轮堆取料机控制系统的设计思路进行详细介绍，主要包括斗轮堆取料机控制系统的组成、硬件设计以及软件设计。分析和研究斗轮堆取料机的工艺和系统需求，提出面向对象（OOP）和顺序控制相结合的设计方法进行编程。根据设计的自动控制系统开发人机交互界面以及上位机组态画面。同时采集控制系统投入运行后的数据进行对比，从技术性能指标，稳定性指标，经济及环保性能指标三个方面进行分析，得出设计的控制系统在能耗、生产效率、环保以及职工健康方面有很大的成效。