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A systematic approach for digital hardware realization of fractional-order operators and systems

机译：分数阶运算符和系统的数字硬件实现的系统方法

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A methodology is developed to realize a generalized class of fractional-order transfer functions in digital hardware using a low-cost field programmable gate array (FPGA) device. A systematic approach is first developed to implement fractional-order integrators and differentiators in fixed-point hardware, wherein each coefficient and signal is represented with a custom number of bits. Each fractional-order operator is implemented as a set of first-order sections in parallel in both shift-form and delta-form structures. Use of the delta form is found to save 25% in total data bits required for the coefficients and state variables compared to the shift-form realizations for three examples, which include two integrators and one differentiator.;A generalized class of fractional-order transfer functions is then implemented in digital hardware using the fractional-order operators as building blocks. Different realization structures, including the partitioned form, the integral feedback form, and the derivative feedback form, are exploited to construct the fractional-order systems. From three illustrative example systems, the integral feedback form is shown to be the most effective structure. The unique feature of the developed methodology is that it allows for changes to a fractional-order system to be made by simple substitutions of individual fractional-order blocks rather than a redesign of the entire approximation; the resulting realization is accurate, efficient, and economical in terms of cost and time investment.
机译：开发一种方法来使用低成本现场可编程门阵列（FPGA）器件在数字硬件中实现通用的分数阶传递函数。首先开发一种系统的方法，以在定点硬件中实现分数阶积分器和微分器，其中每个系数和信号都用自定义位数表示。每个分数阶运算符都以移位形式和增量形式的结构并行实现为一组一阶部分。与三个例子（包括两个积分器和一个微分器）的移位形式实现相比，使用增量形式可节省系数和状态变量所需的总数据位25％。然后，使用分数阶运算符作为构建块，在数字硬件中实现这些功能。利用不同的实现结构，包括分区形式，积分反馈形式和导数反馈形式，来构造分数阶系统。从三个示例性示例系统中，积分反馈形式显示为最有效的结构。所开发方法的独特之处在于，它允许通过简单替换单个分数阶模块而不是重新设计整个近似值来更改分数阶系统。由此产生的实现在成本和时间投资方面是准确，高效和经济的。

著录项

  • 作者

    Jiang, Xin.;

  • 作者单位

    The University of Akron.;

  • 授予单位 The University of Akron.;
  • 学科 Electrical engineering.;Computer engineering.
  • 学位 Ph.D.
  • 年度 2013
  • 页码 193 p.
  • 总页数 193
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 eng
  • 中图分类
  • 关键词

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