[发明专利]一种单步控制参数最优的分数阶PID数字控制方法

说明书

本发明公开了一种单步控制参数最优的分数阶PID数字控制方法，属于电机、电力电子、机器人等的自动化控制技术领域，包括：对被控对象的阶跃响应进行数据采集；假定一个被控对象的数学模型，并得到与采集到的数据误差最小的数学模型；获取分数阶PID控制器的直接离散格式；得到分数阶PID控制器的控制参数；通过所述控制参数对被控对象进行控制。本发明还公开了实现上述方法的系统、设备、存储介质，与现有技术相比，本发明示例的技术方案能得到最优的单步控制参数，能有效地降低被控对象的超调量和稳定时间。

技术领域

本发明属于电机、电力电子、机器人等的自动化控制技术领域，具体的说是一种单步控制参数最优的分数阶PID数字控制方法。

背景技术

分数阶PID控制器(Fractional-order PID controller，简称FOPID)是整数阶PID控制器(简称IOPID)的一般形式，由于分数阶PID控制器的控制参数比整数阶PID控制器多两个，故其调节更加灵敏，控制性能更加优良。目前的实现方法有模拟电路实现和数字实现。但模拟电路实现所需电路元器件多，精度低，因此现今的实现方法主要以数字实现为主。

自从分数阶PID控制器的数字实现方法被提出以来，许多专家学者提出了多种数字实现方法。如李儒贵在期刊“电工技术学报”2014年第29卷第S1期提到的由Grunwald-Letnikov定义的微积分算子的时域数值近似算法(将由该方法得到的控制器记为DFOPID控制器)。该方法是目前使用最多的方法之一，但存在实现复杂的问题。Farshad Merrikh-Bayat在期刊“International Journal of Control,Automation,and Systems”2015年第13卷第1期中提出了一种当前控制量与前一时刻控制量相关的间接数字实现方法(将由该方法得到的控制器记为IFOPID1控制器)。J.Viola在期刊“IEEE/CAA JOURNAL OFAUTOMATICA SINICA”2017年第4卷第2期中提出了一种当前控制量与前段时间控制量相关的间接数字实现方法(将由该方法得到的控制器记为IFOPID2控制器)。这两种由间接数字实现方法得到的控制器虽然实现简单，但在性能上有一定程度的降低。

综上所述，目前需要一种能快速实现最优控制的控制方法。

发明内容

为解决上述现有技术的中的不足，本发明的目的在于提供一种单步控制参数最优的分数阶PID数字控制方法，该方法能有效缩短稳定时间、减小超调量，实现最优控制。

本发明所采用的技术方案为：

一方面，提供了一种单步控制参数最优的分数阶PID数字控制方法，包括：

对被控对象的阶跃响应进行数据采集；

假定一个被控对象的数学模型，并得到与采集到的数据误差最小的数学模型；

获取分数阶PID控制器的直接离散格式；

得到分数阶PID控制器的控制参数；

通过所述控制参数对被控对象进行控制。

进一步的，所述对被控对象的阶跃响应进行数据采集，包括：采用阶跃信号作为激励信号，采集被控对象的开环阶跃相应数据。

进一步的，所述对被控对象的阶跃响应进行数据采集之后，还包括：对采集到的数据进行预处理。

进一步的，所述对采集到的数据进行预处理，包括：对采集到的数据进行滑动均值滤波，选取适当的窗口，消除数据中的毛刺，得到被控对象的开环阶跃响应曲线。

进一步的，所述与采集到的数据误差最小的数学模型，通过以下步骤得到：

利用量子粒子群优化算法寻找最优的模型系数；

拟合被控对象的开环阶跃响应曲线。