一种优化移液系统控制精度的方法及装置

技术领域

本发明涉及移液系统领域，尤其涉及一种优化移液系统控制精度的方法及装置。

背景技术

随着分子生物学检测、免疫学检测等技术的快速发展，人们急需在短时间内处理大量的生物样本，传统的人工移液方式耗费大量人力物力资源，给社会经济带来严重的负担，同时检测效率低下，无法实现快速检测的目标。而通过移液系统可以快速完成一些重复性的液体样本处理工作，极大的提高了工作效率。

现有的移液系统主要由上位机、微处理器、驱动器、步进电机和移液器等部分组成，通过上位机给微处理器发送指令，微处理器收到指令后驱动步进电机来完成移液操作。

现有的移液系统中步进电机通常采用普通的开环控制方式，控制稳定性差、控制精度低，由此会造成移液器无法精确的达到指定的位置进行移液操作，从而影响吸液、吐液的准确性。为了提高控制稳定性和控制精度，引入比例积分微分(proportional integraldifferential，PID)控制器来提高移液系统的控制精度和控制稳定性。但是PID控制器的参数不容易整定，自适应能力比较差；目前带有PID控制器的移液系统其PID参数优化方法主要是通过专家提供经验和单纯形法，前者依赖于操作者的经验，而用后者产生的参数的超调量大，达到稳定的时间比较长。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种优化移液系统控制精度的方法及装置。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：第一方面，本发明提供了一种优化移液系统控制精度的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：建立移液系统中PID控制器控制步进电机的结构模型；

步骤2：通过两相混合步进电机的电压平衡方程和电磁转矩以及运动方程，建立步进电机的两相励磁情况下的传递函数模型；

PID控制器的输出就是被控对象即步进电机的输入，通过PID控制器的输出u(s)作用于被控对象的传递函数G(s)上，从而使步进电机的实际转速快速的靠近理论转速，最后稳定在理论转速上；

步骤3：基于帝国主义竞争算法，产生初始帝国，使用实数编码，对PID控制器的参数编码为(K

步骤4：对殖民地国家进行同化、革命以及移动操作。

步骤5：对帝国主义国家进行竞争和消亡操作。

步骤6：随着帝国的灭亡，最终剩下一个帝国，其对应的数字就是最优的PID的参数，使用这组参数来控制步进电机，优化移液系统的控制精度。

进一步地，PID控制器的表达式为：

其中t为时间，u(t)是PID控制器的输出，e(t)是误差函数，K

进一步地，步进电机的传递函数模型为：

其中s为复频率，θ

进一步地，初始帝国过程具体如下：

C

N.C.

其中c

进一步地，代价函数使用ITAE指标(integrated time absolute errorcriterion)函数，其表达式为

进一步地，步骤4的具体过程如下：

步骤4.1殖民地国家同化：殖民地国家和同化后的殖民地国家的距离为x,其服从均匀分布x∈U(0,β×d)其中β＝2，d为殖民地国家与帝国主义国家之间的距离；

步骤4.2殖民地国家革命；在同化的基础上，增加随机偏移方向θ～U(-γ,γ)，其中γ取π/4；

步骤4.3在殖民地向帝国主义国家移动的过程中，殖民地的位置发生更新，可能出现某个殖民地的代价函数值I比其所属的帝国主义国家小，即该殖民地的势力更大；此时，将二者交换位置，即该殖民地成为新的帝国主义国家，而原来的帝国主义国家则沦为殖民地。

进一步地，步骤5的具体过程如下：

步骤5.1帝国主义国家竞争：首先，需要计算帝国的总代价函数值，即势力大小。帝国主义国家对整个帝国的势力影响较大，而殖民地国家的影响非常小，定义整个帝国的代价：

T.C.

其中T.C.

根据各帝国的总代价，选择最弱的帝国中最弱的殖民地作为帝国竞争的对象；定义可能占有的概率为

N.T.C.

其中，N.T.C.

步骤5.2帝国消亡：由帝国之间的竞争，当一个帝国丢失所有的殖民地时，帝国覆灭；随着帝国的灭亡，最终剩下一个帝国，其对应的数字就是最优的PID参数，使用这组参数来控制步进电机。

第二方面，本发明还提供了一种优化移液系统控制精度的装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述处理器执行所述可执行代码时，实现所述的一种优化移液系统控制精度的方法。

第三方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，所述程序被处理器执行时，实现所述的一种优化移液系统控制精度的方法。

本发明的有益效果：本发明通过引入帝国主义竞争算法来优化PID控制器的参数，从而得到一组最优的PID控制器的参数来控制步进电机。该算法不仅不用依赖操作者的经验而且可以在较少的迭代次数得到全局最优点也就是最优的PID控制器的参数，使移液器在步进电机的带动下精确的到达指定位置进行移液操作，消除了移液系统静差，改善了移液系统的静态特性，提高了移液系统的稳定性和控制精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明中移液系统结构示意图；

图2为本发明中控制器结构示意图；

图3为帝国主义竞争算法流程图；

图4为本发明提供的一种优化移液系统控制精度的装置的结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供的一种优化移液系统控制精度的方法，应用领域为医疗自动化设备领域，主要针对移液系统中的步进电机，通过算法来提高步进电机的控制精度从而提高移液系统的控制精度。本发明引入帝国主义竞争算法(Imperialist CompetitiveAlgorithm，ICA)来优化PID控制器的参数，从而得到一组最优的PID控制器的参数来控制步进电机，减小步进电机运行时的静态误差，改善系统的静态特性，提高移液系统的运行稳定性和控制精度。本发明算法主要用来解决原来的PID控制器的参数不容易整定而且比较依赖操作者的经验的问题，它可以在较少的迭代次数得到全局最优点也就是得到最优的PID控制器的参数。大大提高PID控制器控制参数整定的效率。使用整定好的PID控制器确保移液系统中的移液器能在步进电机的带动下稳定、精确的达到指定位置，为移液操作的精确性提供了有力的保障。

本发明中移液系统中有X、Y、Z三轴步进电机，通过X、Y轴步进电机把移液器带动到指定试管上方，最后通过Z轴步进电机使移液器的头部进入试管中吸取或者吐出相应的液体完成移液操作。本发明中的移液系统如图1所示，移液系统的主要工作流程是：安卓上位机下发指令给esp32主控模块，esp32主控模块根据接收到的指令控制驱动模块来驱动步进电机组运动，从而带动移液器来完成移液操作。供电模块主要给整个移液系统提供电源；限位模块则限定步进电机的运动范围，同时便于步进电机进行原点复位操作；测速模块则可以实时获得步进电机的转速。

步骤1：建立PID控制器控制步进电机的结构模型，如图2所示，PID控制器的表达式为：

其中t为时间，u(t)是PID控制器的输出，e(t)是误差函数，K

步骤2：建立步进电机的传递函数模型，通过两相混合步进电机的电压平衡方程和电磁转矩以及运动方程，可以得到其两相励磁情况下的传递函数为：

其中s为复频率，θ

PID控制器的输出就是被控对象即步进电机的输入，通过PID控制器的输出u(s)作用于被控对象的传递函数G(s)上，从而使步进电机的实际转速快速的靠近理论转速，最后稳定在理论转速上。

步骤3：基于帝国主义竞争算法，产生初始帝国，挑选帝国主义国家并分配殖民地国家。

步骤3.1：产生初始帝国。

C

N.C.

其中c

代价函数在本发明场景下可以使用ITAE指标(integrated time absolute errorcriterion)函数，其表达式为

步骤3.2初始化国家。PID参数优化是关于多维函数优化的问题，本发明使用实数编码，对于PID的参数K

步骤3.3挑选帝国主义国家。假设挑选其中50个国家成为帝国主义国家，首先对每一个国家计算其成本值，其代价函数为ITAB函数，其中代价I最低的50个国家即为帝国主义国家，其他450个国家作为殖民地国家，它们会按照一定规律分配给这50个帝国主义国家。具体分配方法如下：按(5)式分配，round是随机分配函数，代入具体数可以得到第n个帝国主义国家的殖民地个数N.C.

步骤3.4分配殖民地国家给各个帝国主义国家。第n个帝国主义国家的势力大小为如公式(4)所示，此时N

步骤4：对殖民地国家进行操作。

步骤4.1殖民地国家同化。帝国主义国家为了更好地控制其殖民地国家，将自己的思想模式及文化风俗推广到殖民地国家的过程，称为同化。殖民地国家和同化后的殖民地国家的距离为x,其服从均匀分布x∈U(0,β×d)其中β＝2，d为殖民地国家与帝国主义国家之间的距离。

步骤4.2殖民地国家革命。殖民地革命是对殖民地进行一定的移动，希望其能更靠近最优解的位置。在同化的基础上，增加了随机偏移方向θ～U(-γ,γ)，其中γ取π/4。

步骤4.3在殖民地向帝国主义国家移动的过程中，殖民地的位置发生更新，可能出现某个殖民地的代价函数值I比其所属的帝国主义国家小，即该殖民地的势力更大。此时，将二者交换位置，即该殖民地成为新的帝国主义国家，而原来的帝国主义国家则沦为殖民地。

步骤5：对帝国主义国家进行操作。

步骤5.1帝国主义国家竞争。帝国竞争机制模拟的是现实社会中势力较强的帝国占有并控制势力较弱帝国的殖民地的过程。帝国之间的竞争导致强的帝国变得更强，而弱的帝国逐渐衰败。首先，需要计算帝国的总代价函数值，即势力大小。帝国主义国家对整个帝国的势力影响较大，而殖民地国家的影响非常小，定义整个帝国的代价：

T.C.

其中T.C.

每个帝国集团都试图占领并控制其他帝国集团的殖民地。帝国竞争过程中，强国将更强，弱国将更弱。根据各帝国的总代价，选择最弱的帝国中最弱的殖民地作为帝国竞争的对象。在这个过程中，基于各自的力量，每个集团都有占领最弱集团的可能性。从另一个方面来说，最弱国不一定确定被最强国家占领，但是越强的集团占领弱集团的可能性越大。因此，定义可能占有的概率为P

N.T.C.

其中，N.T.C.

步骤5.2帝国消亡。帝国之间的竞争，使势力大的帝国通过占有其他帝国的殖民地变得越来越强大，而势力弱的帝国殖民地个数不断减少，当一个帝国丢失所有的殖民地时，帝国覆灭。随着帝国的灭亡，最终剩下一个帝国，此时算法终止。

步骤6：最后得到的一个帝国就是最优解，其对应的数字就是最优的K

与前述一种优化移液系统控制精度的方法的实施例相对应，本发明还提供了一种优化移液系统控制精度的装置的实施例。

参见图4，本发明实施例提供的一种优化移液系统控制精度的装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述处理器执行所述可执行代码时，用于实现上述实施例中的一种优化移液系统控制精度的方法。

本发明提供的一种优化移液系统控制精度的装置的实施例可以应用在任意具备数据处理能力的设备上，该任意具备数据处理能力的设备可以为诸如计算机等设备或装置。装置实施例可以通过软件实现，也可以通过硬件或者软硬件结合的方式实现。以软件实现为例，作为一个逻辑意义上的装置，是通过其所在任意具备数据处理能力的设备的处理器将非易失性存储器中对应的计算机程序指令读取到内存中运行形成的。从硬件层面而言，如图4所示，为本发明提供的一种优化移液系统控制精度的装置所在任意具备数据处理能力的设备的一种硬件结构图，除了图4所示的处理器、内存、网络接口、以及非易失性存储器之外，实施例中装置所在的任意具备数据处理能力的设备通常根据该任意具备数据处理能力的设备的实际功能，还可以包括其他硬件，对此不再赘述。

上述装置中各个单元的功能和作用的实现过程具体详见上述方法中对应步骤的实现过程，在此不再赘述。

对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现上述实施例中的一种优化移液系统控制精度的方法。

所述计算机可读存储介质可以是前述任一实施例所述的任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元，例如硬盘或内存。所述计算机可读存储介质也可以是任意具备数据处理能力的设备的外部存储设备，例如所述设备上配备的插接式硬盘、智能存储卡(Smart Media Card，SMC)、SD卡、闪存卡(Flash Card)等。进一步的，所述计算机可读存储介质还可以既包括任意具备数据处理能力的设备的内部存储单元也包括外部存储设备。所述计算机可读存储介质用于存储所述计算机程序以及所述任意具备数据处理能力的设备所需的其他程序和数据，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。