[发明专利]轴向混合磁轴承鱼群算法分数阶PID控制器的构造方法

说明书

技术领域

本发明属于控制技术领域，具体涉及一种非机械接触磁悬浮轴承（磁轴承）的控制系统及控制方法设计。 

背景技术

轴向混合磁轴承是一种由控制线圈产生控制磁通、由永磁体产生偏置磁通、从而使转子悬浮于空间的磁轴承，具有悬浮力可控、精度高、刚度可调、功耗低、成本低、空间散热性好等优点。目前，轴向混合磁轴承的控制系统多采用经典的整数阶PID控制器对其进行控制，但该方法过分依赖控制对象的模型参数，鲁棒性较差，对于轴向混合磁轴承控制系统这类复杂且极需精密的控制系统，单纯采用整数阶PID控制器，很难满足系统精密控制的要求。区别于传统经典的整数阶PID控制器是在比例系数K_p、积分系数K_i、微分系数K_d这三个参数的基础上又引入了微分阶次系数λ和积分阶次系数μ的分数阶PID控制器，由于分数阶PID控制器多了两个可调参数，可使其参数的整定范围变大，能够实现更灵活地控制。 

PID控制器的控制性能与其控制器参数整定（参数设置与寻优）直接相关，采用常规的PID参数整定方法难以找到优化参数，且容易产生振荡和超调，很难达到较好的控制效果。而一些智能整定方法虽然能找到优化解，但是存在算法比较繁琐、算法本身的参数难以确定等问题。尤其对于分数阶PID控制器，由于多了两个可调参数，因此会导致其参数整定过程中参数寻优的过程的变长且难度加大，进而加大了控制系统的复杂性，控制系统的精度与实时性受到影响。因此，选择合适的分数阶PID控制器参数整定方法对轴向混合磁轴承控制系统实现更加快速、精密且稳定的控制具有重要意义。 

鱼群算法是一种基于动物行为的智能优化方法，对寻优空间的形式和性质没有特殊要求，只需要对问题进行优劣的比较，具备分布并行的寻优能力，对初值不敏感，因此具有较好的全局寻优能力，且寻优速度较快。因此，如果将鱼群算法的思想应用于分数阶PID控制器的参数寻优中，即形成鱼群算法分数阶PID控制器。利用鱼群算法的全局搜索特性来优化分数阶PID控制器的五个控制参数，即比例系数K_p、积分系数K_i、微分系数K_d、微分阶次系数λ和积分阶次系数μ，就能够在众多局部最优值的复杂函数进行寻优时，以较高的概率较好的收敛于全局最优解，并且更简洁，实现容易，需要调整的参数少，相比于其他PID参数整定方法具有明显的优势。查阅国内外文献，针对轴向混合磁轴承的控制系统，采用鱼群算法分数阶PID控制器的设计还未有报道。 

发明内容

本发明的目的是为克服现有轴向混合磁轴承系统常用的PID控制器控制性能的不足而提供一种采用鱼群算法对控制器参数进行优化的分数阶PID控制器的构造方法，即构造鱼群算法分数阶PID控制器，所构造的该鱼群算法分数阶PID控制器可使得轴向混合磁轴承的控制系统具有更好的鲁棒性、抗干扰性、适应性和更好的控制精度。 

本发明采用的技术方案是采用以下步骤： 

 1）将轴向混合磁轴承的轴向位移信号z与给定的轴向位移参考位置信号z*比较得到位移偏差信号e，将位移偏差信号e输入至控制律是 的常规分数阶PID控制器，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数，λ为微分阶次系数，μ为积分阶次系数，e（t）为t时刻的位移偏差，D为微积分算子，，为t时刻输出的力信号控制量。