一種基于協(xié)同進化的pid控制器參數優(yōu)化方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于協(xié)同進化的PID控制器參數優(yōu)化方法和系統(tǒng)，屬于控制系統(tǒng) 參數優(yōu)化技術領域。
【背景技術】
[0002] 目前對于復雜的受控對象，傳統(tǒng)方法的PID控制往往難以滿足要求，復雜系統(tǒng)的 PID控制及其參數整定仍然是控制工程領域需解決的重要問題。近年來，智能計算技術被用 于解決傳統(tǒng)方法難以解決復雜系統(tǒng)PID控制及其參數優(yōu)化問題，產生了基于智能計算的PID 控制器參數優(yōu)化方法，如基于遺傳算法、粒子群算法等的優(yōu)化方法。這些方法取得了一些有 益的成效，但也同時存在組合導向性不強、尋優(yōu)速度慢、易于陷入局部最優(yōu)等不足。本發(fā)明 提出了一種基于協(xié)同進化的PID控制器參數優(yōu)化方法，能克服現(xiàn)有方法的不足。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明目的在于針對上述現(xiàn)有技術的不足，提出了一種基于協(xié)同進化的PID控制 器參數優(yōu)化方法，該方法針對復雜系統(tǒng)PID控制的參數整定，采用了一種改進型協(xié)同進化方 法對PID控制系統(tǒng)參數進行優(yōu)化，使PID三個參數以協(xié)同進化方式自動搜索給定性能指標下 的最優(yōu)組合。該方法收斂速度快、自適應性強、精確度高，能獲得更好的優(yōu)化控制效果，具有 較好的應用前景。
[0004] 本發(fā)明解決其技術問題所采取的技術方案是:一種基于協(xié)同進化的PID控制器參 數優(yōu)化方法，該方法包括如下步驟：
[0005] 步驟1:初始設置。設置并初始化3個一定規(guī)模的種群，其個體分別對應PID控制器 的三個參數;設置控制效果評估所用的目標函數;設定進化終止條件。
[0006] 步驟2:選取評估代表組。將3個種群中的個體依次組合成待選組，分別作為PID控 制器的三個參數置入系統(tǒng)，并啟動系統(tǒng)運行。根據相應的輸出響應，由目標函數評估出各待 選組的適應度值，選出其中適應度值最好的一組作為評估代表組。
[0007] 步驟3:各種群個體適應度值評估。用評估代表組中的代表個體分別與待評估種群 個體組成參數組，置入PID控制器并啟動系統(tǒng)運行。根據相應的輸出響應，由目標函數評估 出各種群個體的適應度值;同時，用當前更優(yōu)的個體更新評估代表組對應個體。
[0008] 步驟4:各種群進化。所有個體評估之后，各種群依據個體適應度值分別進行進化， 產生出新一代種群。各種群采用的進化算法可以相同也可以不同。
[0009] 步驟5:優(yōu)化結束控制。若未達到設定的進化終止條件，則轉步驟2繼續(xù)迭代優(yōu)化； 若達到設定的進化終止條件，則當前的評估代表組即作為PID控制系統(tǒng)的PID參數優(yōu)化結 果。
[0010] 本發(fā)明還提供了一種基于協(xié)同進化的PID控制器參數優(yōu)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括改進 型協(xié)同進化優(yōu)化模塊、PID控制系統(tǒng)、控制效果評估模塊。各模塊具體功能如下：
[0011] 改進型協(xié)同進化優(yōu)化模塊:該模炔基于本發(fā)明提出的改進型協(xié)同進化方法，實現(xiàn) 對PID控制器的PID三個參數進行協(xié)同進化尋優(yōu)，獲得給定性能指標下的PID參數最優(yōu)組合。
[0012] PID控制系統(tǒng):是本發(fā)明方法的應用對象，其PID控制器的PID參數就是本發(fā)明中改 進型協(xié)同進化優(yōu)化模塊的優(yōu)化對象。改進型協(xié)同進化優(yōu)化模塊向PID控制系統(tǒng)輸出PID參 數，PID控制系統(tǒng)運行出控制效果。
[0013] 控制效果評估模塊:該模塊能根據PID控制系統(tǒng)對特定輸入的輸出響應，由按需設 置的目標函數對PID控制器的控制效果進行評估，并給出評估值作為當前PID三個參數組合 的適應度值。
[0014] 本發(fā)明基于協(xié)同進化的PID控制器參數優(yōu)化系統(tǒng)結構如圖1所示。圖中EA1、EA2、 EA3為三個進化算法模塊。
[0015] 一、PID控制系統(tǒng)及其參數優(yōu)化
[0016] (l)PID控制系統(tǒng)基本特征
[0017] 設給定yd(t)與實際輸出y (t)構成控制偏差e(t):
[0018] e(t)=yd(t)-y(t)
[0019] PID的控制器輸出u(t):
[0020]
[0021 ]或者寫成傳遞函數的形式：
[0022]
[0023]其中，kP、kjPkd分別是PID控制器的比例系數、積分系數和微分系數。PID控制器各 校正環(huán)節(jié)作用包括如下：
[0024] 1、比例環(huán)節(jié):成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產生，控制器立即 產生控制作用以減小偏差。
[0025] 2、積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，積分作用的強弱取決于積分系數，積分系數越 小，積分作用越弱，反之則越強。
[0026] 3、微分環(huán)節(jié):反映偏差信號的變化率，能在偏差信號變得太大之前，在系統(tǒng)中引入 一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調節(jié)時間。
[0027] 二、PID參數優(yōu)化模型
[0028] 常見的優(yōu)化目標函數J有ITAE，IAE，ITSE這三種：
[0029]
[0030]
[0031] 〇·
[0032]這些優(yōu)化目標函數并沒有包含顯式的系統(tǒng)相關性能指標，如上升時間tr、超調量 δ%、調節(jié)時間tf等。
[0033]為了防止PID控制器的輸出量u過大、獲得較小的上升時間tr及較小的調節(jié)時間tf， 可以取目標函數形式如下，即（以IAE為例）：
[0034]
[0035] 其中W1，W2，W3為權值。為了使系統(tǒng)的超調量不超過限定值(設其對應的最大超調偏 差為e s)，設置權值w'i:若e(t)<es則w'i>>wi，此時：
[0036]
〇
[0037] 最后，系統(tǒng)的優(yōu)化問題可表述為(設最小值為最優(yōu)解）：
[0038] min J(kP，ki，kd)
[0039] s.t.
[0040] kp e [ kpmin，kpmax ]
[0041] kie[kimin,kimax]
[0042] kd E [ kdmin，kdmax ]
[0043] 三、改進型協(xié)同進化優(yōu)化模塊
[0044] 本發(fā)明改進型協(xié)同進化優(yōu)化模塊如圖2所示，圖中種群P^PdPPs分別代表著參數 kP、ki和kd，種群規(guī)模為η;將所有種群中的個體按編號分組，代入目標問題(Domain mode 1) 中并評估相應的適應度值，選取適應度值最好的組合，作為評估代表組(Xbest，Ybest，Z best)。
[0045] 各個種群個體Pu(i = l，2,3; j = l，2,3, ···，!〇適應度評估，由評估代表組(Xbest， Ybest，Zbest)來協(xié)同完成。即種群?!的個體Pi, j的適應度評估是由（Pi, j，Ybest，Zbest)代入到目標 問題進行評估，得到其對應個體的適應度值F^，并將其中適應度高于當前評估代表組的最 優(yōu)Pi, j替換Xbest。
[0046] 各種群所有個體評估之后，根據種群中每個個體的適應度值，所有種群各自進化 得到新一代種群。進化算法EA1、EA2和EA3可以相同也可以不同。
[0047]若滿足進化的終止條件，則當前評估代表組就作為問題的最優(yōu)協(xié)同解，終止計算。 反之，從選擇評估代表組處繼續(xù)迭代尋優(yōu)。
[0048]本發(fā)明改進型協(xié)同進化優(yōu)化方法的具體步驟包括：
[0049]第一步:初始化。初始化種群ΡΚΟ)，P2(0)，P3(0);置進化代數計數器初值m: =0;設 定進化終止準則；
[0050]第二步:選擇評估代表組。選取種群個體(Pi,j(m)，P2,j(m)，P3,j(m))( j = l，2,3,…， η)組成待選組，評估計算每組的適應度值，選出當前適應度值最好的一組作為評估代表組 (Xbest, Ybest , Zbest)；
[0051 ]第三步：各個種群個體適應度值的評估。如圖2所示，用評估代表組(Xbest，Ybest， Zbest)分別評估各種群中的個體，獲得所有個體的適應度值；同時，用當前更優(yōu)的個體更新 評估代表組對應個體；
[0052] 第四步:各個種群分別進化。各種群依據個體適應度值分別進行進化，產生出新一 代種群Pi(m+1)，P2(m+l)，P3(m+l);置m: =m+l;
[0053] 第五步：終止判斷。如果滿足進化終止條件，則當前評估代表組(Xbest，Ybest，Z best) 就作為問題的最優(yōu)解，終止計算;否則，轉第二步。
[0054] 3、本發(fā)明優(yōu)化系統(tǒng)工作方法
[0055] 如圖1和圖3所示，本發(fā)明優(yōu)化系統(tǒng)的工作方法包括：
[0056] 步驟1:初始設置
[0057]參數kP對應的種群為Pi，參數ki對應的種群為P2，參數kd對應的種群為P 3，種群規(guī)模 為η;種群初始化為?1(0)、？2(0)、？3(0);置進化代數計數器111=0;設置控制效果評估所用目 標函數(如前述的目標函數j或r);設定進化終止條件(如j或r要達到的目標值，或進化的 最大代數)。
[0058] 步驟2:評估代表組的選取
[0059] 將各種群個體按沾,」(111)，？2,」(111)，？3,」(111))組成待選組，」依次取1，2,3，~，11，分別 將Pi,j(m)，P2,j(m)，P 3,j(m)作為PID控制器的kP，ki，kd三個參數置入系統(tǒng)，并啟動系統(tǒng)運行， 得到輸出響應。根據各輸出響應，由目標函數J或可評估出各待選組的適應度值，選出其 中適應度值最好的一組作為評估代表組(Xbest，Ybest，Zbest)。
[0060] 步驟3:各種群個體適應度值評估
[0061 ] 用評估代表組(Xbest，Ybest，Zbest )中的代表個體Xbest，Ybest，Zbest分別與待評估種群 個體組成k^kukd參數組，置入PID控制器并啟動系統(tǒng)運行，得到輸出響應