一种基于改进鲸鱼算法的无刷直流电机调速PID控制方法技术

本发明专利技术设计了一种基于改进鲸鱼算法的无刷直流电机调速PID控制方法，用高斯变异因子、自适应惯性因子和动态阈值三者优化传统鲸鱼算法得到改进鲸鱼算法，并以此对控制器的K

【技术实现步骤摘要】
一种基于改进鲸鱼算法的无刷直流电机调速PID控制方法


[0001]本专利技术属于无刷直流电机调速
，具体涉及一种基于改进鲸鱼算法的无刷直流电机调速PID控制方法。

技术介绍

[0002]无刷直流电动机以其结构简单、效率高、维护费用低、动态响应高等优点，在航空航天、机器人、电动汽车等领域得到了广泛的应用。众所周知，转速控制是无刷直流电机驱动领域的一个重要方面。随着现代电力电子技术、传感器技术、自动控制技术和制造技术的不断快速发展，研究响应速度快、调节能力强、控制精度高的无刷直流电机调速控制器具有重要的现实意义和应用前景。然而，复杂的强耦合非线性特性使得传统控制方法难以实现良好的速度控制性能。因此，近几十年来，为了提高无刷直流电机的性能，人们提出了许多新的转速控制器。
[0003]为了改善无刷直流电机的暂态和稳态特性，PID控制器通常是无刷直流电机调速的最佳选择。基于PI的无直流电机速度控制控制器，通过增加比例增益，提高了速度控制器的灵敏度，降低了速度超调。但是传统的PID对增益选择的依赖性较强，导致无刷直流电机性能下降，具有各种不确定性和非线性。因此提出了许多方法来简化或改进PID增益整定过程，其中基于传统鲸鱼算法的无刷直流电机调速PID控制方法虽然取得较好的结果，但是却存在易陷入局部最优解以及搜索过早熟的缺点。为解决此问题，本文提出了一种基于改进鲸鱼算法的无刷直流电机调速PID控制方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术所述的一种基于改进鲸鱼算法的无刷直流电机调速PID控制方法对无刷直流电机的稳定状态和瞬时状态进行调速控制，利用改进鲸鱼算法优化的PID控制器直接输出调节控制器的Kp、Ki、Kd的增益，有效提高控制器的鲁棒性。其具体包括如下控制步骤：
[0005]S1:初始化相关参数。初始化相关参数。初始化种群规模number、当前迭代次数、最大迭代次数Tmax、问题维数dim。
[0006]S2:计算出鲸鱼个体的最优适应度。
[0007]S3:位置更新以及计算出它的采用的更新机制，并计算出高斯变异因子k、自适应权重w、游走方向控制A、鲸鱼群包围食物的包围步长D。
[0008]S4:将最终控制输出输入到无刷直流电机系统中实现速度控制。
[0009]其中步骤S1还包括，将所选更新机制所得的最优解采样得到输入转速r(k)和输出转速y(k),计算速度误差e(k)＝r(k)
‑
y(k),根据速度误差e(k),作为PID控制器的输入。
[0010]其中步骤S2还包括，选择所选取的更新机制包括收缩包围猎物、气泡网捕食猎物和搜寻猎物。
附图说明
[0011]图1所示为本专利技术改进鲸鱼优化无刷直流电机调速PID控制器示意图。
[0012]图2所示为本专利技术改进鲸鱼优化无刷直流电机调速PID控制器具体流程图。
具体实施方式
[0013]下面结合附图对本专利技术的实施例作进一步的详细说明。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征及技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。
[0014]如图1所示，本专利技术一种基于改进鲸鱼算法的无刷直流电机调速PID控制方法具体架构包括改进鲸鱼算法(Improve Whale Algorithm，IWOA)控制器，逻辑开关，位置和速度传感器，脉宽调制逆变器(Pulse Width Modulation，PWM)，无刷直流电机(Brushless DC，BLDC)，具体控制方法如下:
[0015]首先对电机实际输出转速y(k)与输入转速r(k)进行比较计算，得出最终转速误差e(k)＝r(k)
‑
y(k)，根据速度误差e(k)，通过IWOA得到输出O
kout
。然后计算基于IWOA优化的控制误差E(k)，根据E(k)在线修正基于IWOA更新方式的输出结果，即可得到控制器的3个可调参数K
P
，K
I
，K
D
，将三个参数输入到PID控制器中，将PID控制器控制输出结果输入到无刷直流电机中实现转速控制。
[0016]如图2所述，本专利技术一种基于改进鲸鱼算法的无刷直流电机调速PID控制方法，具体包括如下控制步骤:
[0017]S1:初始化相关参数：初始化种群规模number、当前迭代次数、最大迭代次数Tmax、问题维数dim；
[0018]S2：计算出鲸鱼个体的最优适应度；
[0019]S3：位置更新以及计算出它的采用的更新机制：计算出高斯变异因子k和自适应权重w更新游走方向控制A和鲸鱼群包围食物的包围步长D；
[0020]S4：将最终控制输出输入到无刷直流电机系统中实现速度控制。
[0021]其中步骤S1还包括，将所选更新机制所得的最优解采样得到输入转速r(k)和输出转速y(k)，计算速度误差e(k)＝r(k)
‑
y(k)，将e(k)作为PID控制器的输入；
[0022]其中步骤S2还包括，选择所选取的更新机制包括收缩包围猎物、气泡网捕食猎物和搜寻猎物，其中包围猎物公式如下：
[0023]x(t+1)＝x
*
(t)
‑
A
·
D；D＝|Cx
*
(t)
‑
x(t)|
ꢀꢀꢀ⑴
[0024]x
*
(t)是搜索至第t代时种群内取得全局最优解的鲸鱼个体位置，x(t+1)表示搜索至第t+1代时种群内鲸鱼个体位置，D表示猎物与鲸鱼群体中最优个体与猎物的距离远近,A、C是系数，a为收敛因子。起泡网攻击公式如下：
[0025]x(t+1)＝d1·
e
bi
·
cos(2πl)+x
*
(t)；d1＝|x
*
(t)
‑
x(t)|
ꢀꢀꢀ⑵
[0026]鲸鱼群个体与目标食物之间存在的距离用d1表示，鲸鱼群螺旋收缩形状常数用bi表示，l是在[
‑
1,1]随机选取的数值，π表示圆周率，x(t+1)表示搜索至第t+1代时种群内鲸鱼个体位置。
[0027]随机搜索猎物公式如下：
[0028]x(t+1)＝x
rand
(t)
‑
AD2；D2＝|Cx
rand
(t)
‑
x(t)|
ꢀꢀꢀ⑶
[0029]X
rand
表示当前种群的随机选择的一个个体位置。D2表示的座头鲸群体中随机的一个鲸鱼个体与目标猎物的距离，游走方向控制系数A、C。
[0030](3)所述的步骤S3，其特征在于，高斯变异因子k、自适应权重w、游走方向控制系数A、自适应动态阈值Q更新按下式计算得到:
[0031]a＝1
‑
2cos(πt/2T
max
)
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于改进鲸鱼算法的无刷直流电机调速PID控制方法，其特征在于利用改进鲸鱼算法对控制器的K
P
,K
I
,K
D
增益进行调节，使输出数据更接近目标PID增益，然后将控制器的控制输出值输入到无刷直流电机中，达到电机的转速控制，共包括如下步骤：S1:初始化相关参数：初始化种群规模number、当前迭代次数、最大迭代次数Tmax、问题维数dim；S2：计算出鲸鱼个体的最优适应度；S3：位置更新以及计算出它的采用的更新机制，并计算出高斯变异因子k和自适应权重w，更新游走方向控制A和鲸鱼群包围食物的包围步长D；S4：将最终控制输出输入到无刷直流电机系统中实现速度控制；所述步骤具体内容如下：(1)所述的步骤S1，其特征在于，将所选更新机制所得的最优解采样得到输入转速r(k)和输出转速y(k)，计算速度误差e(k)＝r(k)
‑
y(k)，将e(k)作为PID控制器的输入；(2)所述的步骤S2，其特征在于，选择所选取的更新机制包括收缩包围猎物、气泡网捕食猎物和搜寻猎物，其中包围猎物公式如下：x(t+1)＝x
*
(t)
‑
A
·
D；D＝|Cx
*
(t)
‑
x(t)|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ⑴
x
*
(t)是搜索至第t代时种群内取得全局最优解的鲸鱼个体位置，x(t+1)表示搜索至第t+1代时种群内鲸鱼个体位置，D表示猎物与鲸鱼群体中最优个体与猎物的距离远近,A、C是系数，a为收敛因子，起泡网攻击公式如下：x(t+1)＝d1·
e
bi
·
cos(2πl)+x
*
(t)；d1＝|x
*
(t)
‑
x(t)|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡黄水，兰淼淼，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：