【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及工业控制，特别是指一种基于遗传算法与模糊pid的ethercat时钟同步方法。
技术介绍
1、在自动化领域，工业以太网因其高带宽、高传输速率和对多种通信协议的支持等优点，得到了广泛的应用。ethercat(ethernet for control automation technology，以太网控制自动化技术)是基于以太网的工业网络协议之一，因其低延迟的数据传输、高系统同步精度和灵活的网络拓扑结构，成为自动化和控制应用中的首选技术。ethercat提供了使用分布式时钟(dc)机制的同步解决方案。在此机制中，所有非参考从站的时钟都会调整为参考时钟(通常为在逻辑环形拓扑结构中的第一个支持分布时钟功能的ethercat从站)。
2、然而，在实际应用中，从站设备内部振荡器的微小但不可忽视的容差会导致时钟同步误差，无法满足分布式网络运动控制系统高精度的同步要求。
3、现有的同步方法，如ieee 1588精确时钟同步协议或ethercat自身的同步机制，在传统环境下可以提供一定程度的同步精度。但是，在高动态性工业环境下，这些方法面临着若干挑战，包括环境干扰、网络拓扑变化和系统负载波动，同步精度会受到影响。特别是系统需要在短时间内响应这些变化并维持高精度同步时，现有技术往往难以满足要求。
4、虽然期间已经公开了多种ethercat时钟同步方案，但是传统的同步方法通常只能静态调整，难以应对网络延迟、设备性能变化等因素引起的时钟偏移和频率偏差。
5、中国专利申请cn117155508
6、综上，为了满足分布式运动控制系统高精度的时钟同步要求，急需开发一种能够动态调整并快速响应网络和设备状态变化的同步方法，以保证在所有条件下都能维持高精度的时钟同步。
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是提供一种基于遗传算法与模糊pid的ethercat时钟同步方法，以保证在所有条件下都能维持高精度的时钟同步。
2、为解决上述技术问题，本专利技术提供技术方案如下：
3、一种基于遗传算法与模糊pid的ethercat时钟同步方法，包括：
4、步骤s101：利用遗传算法对pid控制器的参数进行全局优化，找到最优参数配置，确保系统从最优状态开始运行，降低初始偏差；
5、步骤s102：模糊逻辑控制器根据从ethercat网络实时收集的时钟偏移和频率偏差，动态计算pid参数调整值；
6、步骤s103：pid控制器结合遗传算法确定的初始最优参数和模糊逻辑控制器实时计算出的pid参数调整值，计算控制信号，该控制信号用于实时调整从站设备的内部时钟，以匹配主站时钟，从而减小同步误差。
7、进一步的，所述步骤s101包括：
8、步骤s1011：设置初始种群；
9、步骤s1012：适应度评估；
10、步骤s1013：进行遗传操作；
11、步骤s1014：进行迭代操作。
12、进一步的，所述步骤s1011中，设置种群规模为30，参数个数为3，每个参数使用10位无符号二进制码表示，总基因长度为30位，从左到右依次为kp、ki、kd。
13、进一步的，所述步骤s1012中，使用积分时间绝对误差的倒数作为适应度函数。
14、进一步的，所述步骤s1013包括：
15、使用轮盘赌选择算法进行选择操作；
16、使用线性交叉方法进行交叉操作；
17、使用随机变异法进行变异操作。
18、进一步的，所述步骤s102包括：
19、步骤s1021：模糊化处理；
20、步骤s1022：设定规则库；
21、步骤s1023：模糊推理；
22、步骤s1024：解模糊。
23、进一步的，所述步骤s103包括：
24、pid控制器结合遗传算法确定的初始最优参数kp0、ki0、kd0和模糊逻辑控制器实时调整的pid参数值δkp、δki、δkd，最终pid控制参数为：
25、
26、pid控制器使用pid控制参数kp、ki、kd计算控制信号u(t)，表示为：
27、
28、其中，u(t)表示控制器在t时刻的输出，e(t)表示系统误差，t表示从开始调节到输出当前控制量所经过的时间间隔。
29、进一步的，所述步骤s101之前包括：
30、步骤s100：采集时钟偏移和频率偏差数据；
31、所述步骤s100包括：
32、在ethercat系统初始化时，主站通过发送广播写入命令数据报触发传播延时测量，向ethercat网络中的所有从站设备下发数据帧，对于参考时钟从站而言，数据帧于t1时刻到达，对于从站设备n而言，数据帧于t2(n)时刻到达该从站设备，上述广播数据帧到达最后一个从站设备后经过端口回环返回，于t3(n)时刻再次到达第n个从站设备，t4时刻到达参考时钟从站；假设每单位长度网络电缆延时相同，每个从站具有相同的解析和转发数据帧时间，主站根据以下公式计算出参考时钟与其他从站时钟的传输延时tdelay(n)：
33、
34、主站通过以下公式计算参考时钟与其他从站时钟之间的时钟偏移toffset(n)：
35、toffset(n)＝t2(n)-t1-tdelay(n)。
36、进一步的，所述步骤s100还包括：
37、频率偏差的计算公式如下：
38、
39、其中，δf表示频率偏差，toffset(k-1)和toffset(k)表示在时间点k-1和k的时间偏移量，tk-tk-1表示时间间隔。
40、进一步的，所述步骤s100还包括：
41、主站首先扫描ethercat网络的所有从站设备，并读取所有从站的特征信息寄存器0x0008～0x0009，根据寄存器中bit2的值得知哪些从站支持分布时钟，其中0表示不支持，1表示支持，然后主站读取所有从站的数据链路状态寄存器0x0110～0x0111，获取各个从站端口通信状态，从而得知从站设备的连接关系，并据此获得网络拓扑结构。
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1.一种基于遗传算法与模糊PID的EtherCAT时钟同步方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S101包括：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S1011中，设置种群规模为30，参数个数为3，每个参数使用10位无符号二进制码表示，总基因长度为30位，从左到右依次为Kp、Ki、Kd。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S1012中，使用积分时间绝对误差的倒数作为适应度函数。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤S1013包括：
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S102包括：
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S103包括：
8.根据权利要求1-7中任一所述的方法，其特征在于，所述步骤S101之前包括：
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤S100还包括：
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述步骤S100还包括：
【技术特征摘要】
1.一种基于遗传算法与模糊pid的ethercat时钟同步方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s101包括：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤s1011中，设置种群规模为30，参数个数为3，每个参数使用10位无符号二进制码表示，总基因长度为30位，从左到右依次为kp、ki、kd。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤s1012中，使用积分时间绝对误差的倒数作为适应度函数。
【专利技术属性】
技术研发人员：程广河，王欣欣，于洋，邵洪超，孙瑞瑞，
申请(专利权)人：山东省计算中心国家超级计算济南中心，
类型：发明
国别省市：
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