[发明专利]一种基于粒子群算法的网络环境电机控制器设计算法

说明书

本发明涉及一种基于粒子群算法的网络环境电机控制器设计算法，属于控制算法领域。该算法首先建立包含了网络通信延迟的PID控制器与电机的闭环系统模型；然后将闭环系统模型转化为静态输出反馈形式，建立考虑网络通信随机延迟的控制器稳定条件；设计满足控制器稳定条件的APSO算法中的K_P，K_I和K_D的目标函数；最后利用APSO算法求出目标函数中PID控制器的最优参数K_P,K_I和K_D。这种算法得到的PID控制器能够使得闭环系统稳定且系统跟踪性能好。

技术领域

本发明涉及一种基于粒子群算法的网络环境电机控制器设计算法，属于控制算法领域。

背景技术

PID(Proportional-Integral-Derivative Controller)控制器是指将对参考信号与测量信号的差，积分和微分分别乘以相应常数增益，再相加得到控制输入的控制算法。由于PID控制器易于实现，成本低以及性能好的特点而广泛应用于汽车，航空等领域。

目前，超过90％的闭环系统都由PID控制器控制；PID的主要设计参数是比例，积分微分环节的增益，现有对PID参数进行整定的方法包括：Ziegler-Nichols整定方法，Cohen-Coon整定方法以及内模控制整定方法等。

随着计算机网络的发展，控制系统中的执行器与控制器可以分布在通信网络的不同节点，由于通信线路有数据容量的限制，不可避免地导致控制信号与传感器测量信号在网络中的延迟传输。直流电机作为工业中常用的执行器，其PID控制器的设计也应考虑到这些不可避免的随机通信延迟。

发明内容

本发明为了解决在网络环境下，通信延迟可能导致传统的PID整定方法得到的控制器不稳定的问题，通过设计PID控制器参数，达到PID控制器与电机构成的网络环境系统，在考虑网络通信延迟的情况下稳定且控制性能较好，提出了一种基于粒子群算法的网络环境电机控制器设计算法。

具体步骤如下：

步骤一、建立包含了网络通信延迟的PID控制器与直流电机的闭环系统模型；

针对第k个采样周期，考虑网络通信延迟后离散形式的模型为：

A为离散系统的系统矩阵，B为离散系统的输入矩阵；xk为系统在k*Ts时刻的状态信号，Ts为固定的采样周期；k＝1,2,3,...n；n为系统运行的最大步数；uk为k*Ts时刻不考虑任何延迟时的输入信号；为k*Ts时刻考虑延迟d2,k的输入信号；代表k*Ts时刻经过延迟执行器实际收到的输入信号；d_1,k代表控制信号u经过网络后延迟的采样周期数；K_P为PID控制器的比例项系数，K_I为PID控制器的积分项系数，K_D为PID控制器的微分环节的增益参数；r_k代表k*Ts时刻的参考信号；代表k*Ts时刻经过延迟后控制器实际收到的输出信号；d_2,k代表输出信号y经过网络后延迟的采样周期数；r_i代表i*Ts时刻的参考信号。

同时，延迟满足有上界且不小于0的限制条件，如下：

其中，代表控制器传出的控制信号由执行器接收时的最大传输时间，也就是控制输入信号最大延迟时间；代表执行器/控制电机传出的输出信号/转速信号经过网络后由控制器接收的最大传输时间，也就是输出信号的最大延迟时间。

步骤二、将闭环系统模型转化为静态输出反馈形式，建立考虑网络通信随机延迟的控制器稳定条件；