Binary Arithmetic for Finite-Word-Length Linear Controllers : MEMS Applications

par Abdelkrim Kamel Oudjida

Thèse de doctorat en Automatique

Sous la direction de Nicolas Chaillet.

Soutenue le 20-01-2014

à Besançon , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; Dijon ; Belfort) , en partenariat avec Franche-Comté Électronique Mécanique, Thermique et Optique - Sciences et Technologies (laboratoire) .

Le président du jury était Amara Amara.

Le jury était composé de Nicolas Chaillet, Thibault Hilaire, Brahim Bouzouia.

Les rapporteurs étaient Adel Belouchrani, Chouki Aktouf.

  • Titre traduit

    Intégration sur électronique dédiée et embarquée du traitement du signal et de la commande pour les microsystemes appliqués à la microrobotique


  • Résumé

    Cette thèse traite le problème d'intégration hardware optimale de contrôleurs linéaires à taille de mot finie, dédiés aux applications MEMS. Le plus grand défi est d'assurer des performances de contrôle satisfaisantes avec un minimum de ressources logiques. Afin d'y parvenir, deux optimisations distinctes mais complémentaires peuvent être entreprises: en théorie de contrôle et en arithmétique binaire. Seule cette dernière est considérée dans ce travail.Comme cette arithmétique cible des applications MEMS, elle doit faire preuve de vitesse afin de prendre en charge la dynamique rapide des MEMS, à faible consommation de puissance pour un contrôle intégré, hautement re-configurabe pour un ajustement facile des performances de contrôle, et facilement prédictible pour fournir une idée précise sur les ressources logiques nécessaires avant l'implémentation même.L'exploration d'un certain nombre d'arithmétiques binaires a montré que l'arithmétique radix-2r est celle qui répond au mieux aux exigences précitées. Elle a été pleinement exploitée afin de concevoir des circuits de multiplication efficaces, qui sont au fait, le véritable moteur des systèmes linéaires.L'arithmétique radix-2r a été appliquée à l'intégration hardware de deux structures linéaires à taille de mot finie: un contrôleur PID variant dans le temps et à un contrôleur LQG invariant dans le temps,avec un filtre de Kalman. Le contrôleur PID a montré une nette supériorité sur ses homologues existants. Quant au contrôleur LQG, une réduction très importante des ressources logiques a été obtenue par rapport à sa forme initiale non optimisée


  • Résumé

    This thesis addresses the problem of optimal hardware-realization of finite-word-length(FWL) linear controllers dedicated to MEMS applications. The biggest challenge is to ensuresatisfactory control performances with a minimal hardware. To come up, two distinct butcomplementary optimizations can be undertaken: in control theory and in binary arithmetic. Only thelatter is involved in this work.Because MEMS applications are targeted, the binary arithmetic must be fast enough to cope withthe rapid dynamic of MEMS; power-efficient for an embedded control; highly scalable for an easyadjustment of the control performances; and easily predictable to provide a precise idea on therequired logic resources before the implementation.The exploration of a number of binary arithmetics showed that radix-2r is the best candidate that fitsthe aforementioned requirements. It has been fully exploited to designing efficient multiplier cores,which are the real engine of the linear systems.The radix-2r arithmetic was applied to the hardware integration of two FWL structures: a linear timevariant PID controller and a linear time invariant LQG controller with a Kalman filter. Both controllersshowed a clear superiority over their existing counterparts, or in comparison to their initial forms.


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