基于遗传算法的PID控制器参数优化

影响遗传算法PID参数优化性能的主要因素
侯宏霞;王涛;杨国清;王德意
【期刊名称】《电网与清洁能源》
【年(卷),期】2002(018)004
【摘要】针对影响遗传算法性能的主要因素进行讨论,并结合PID励磁调节器参数优化,对不同编码方式、遗传算子的控制器参数优化情况进行比较分析.所得结果对应用遗传算法在线调整控制参数具有指导意义.
【总页数】4页(P5-8)
【作者】侯宏霞;王涛;杨国清;王德意
【作者单位】黄河上游水电开发有限责任公司,青海,西宁,810008;西安理工大学,电力工程系,陕西,西安,710048;西安理工大学,电力工程系,陕西,西安,710048;西安理工大学,电力工程系,陕西,西安,710048
【正文语种】中文
【中图分类】TM611+.11
【相关文献】
1.约束处理策略对遗传算法优化性能的影响 [J], 孙丕忠;夏智勋;赵建民
2.基于元胞遗传算法的PID参数整定 [J], 刘微;陈思敏
3.惩罚函数结合遗传算法的PID参数优化 [J], 高兴泉;黄东冬;丁三毛
4.基于改进遗传算法的环形倒立摆PID参数整定 [J], 陈文;徐晓龙;钟晓伟;窦文涛
5.基于层次分析遗传算法PID参数整定的四旋翼控制系统 [J], 唐顺
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基于遗传算法的PID控制器参数优化基于遗传算法的PID控制器参数优化是一种智能化调节方法，通过遗传算法的优化过程，可以自动得到最佳的PID参数组合，并实现对控制系统的自动调节。

以下将详细介绍基于遗传算法的PID控制器参数优化的原理、步骤和应用情况。

一、基于遗传算法的PID控制器参数优化原理遗传算法是一种模拟自然选择和遗传的数学模型，通过模拟生物进化的过程，利用优胜劣汰的原则逐步优化求解问题。

在PID控制器参数优化中，可以将PID参数看作个体（染色体），通过遗传算法的选择、交叉和变异等操作，不断优化个体的适应度，最终得到最佳的PID参数组合。

二、基于遗传算法的PID控制器参数优化步骤（1）初始化种群：随机生成一组PID参数作为初始种群，设置种群大小和迭代次数。

（2）适应度函数定义：根据所需控制效果，定义适应度函数来评估每个个体的优劣程度。

（3）选择操作：根据适应度函数的值选择优秀的个体，采用轮盘赌等选择策略，将优秀的个体复制并加入下一代种群中。

（4）交叉操作：从选择的个体中，选取两个个体进行交叉操作，通过交叉操作生成新的个体，并加入下一代种群中。

（5）变异操作：对下一代种群中的一些个体进行变异操作，改变其染色体的一些位，以保持种群的多样性。

（6）重复上述步骤：迭代执行选择、交叉和变异操作，直到达到预定的迭代次数或找到满意的PID参数组合。

（7）输出最佳解：最终输出具有最佳适应度的PID参数组合，作为优化后的参数。

三、基于遗传算法的PID控制器参数优化应用情况（1）机械控制系统：如电机驱动、自动化装配线等，通过优化PID 参数可以提高系统的控制精度和动态性能。

（2）能源系统：如电力系统、风力发电等，通过优化PID参数可以实现能源的高效利用和稳定运行。

（3）化工过程控制：如温度控制、压力控制等，通过优化PID参数可以提高产品质量和生产效率。

（4）交通管理系统：如城市交通信号控制、车辆行驶控制等，通过优化PID参数可以实现交通流畅和事故减少。

摘要：研究自动控制器参数整定问题，PID参数整定是自动控制领域研究的重要内容，系统参数选择决定控制的稳定性和快速性，也可保证系统的可靠性。

传统的PID参数多采用试验加试凑的方式由人工进行优化，往往费时而且难以满足控制的实时要求。

为了解决控制参数优化，改善系统性能，提出一种遗传算法的PID 参数整定策略。

在本文里，通过介绍了遗传算法的基本原理，并针对简单遗传算法在PID控制中存在的问题进行了分析，提出在不同情况下采用不同的变异概率的方法，并对其进行了实验仿真。

结果表明，用遗传算法来整定PID参数，可以提高优化性能，对控制系统具有良好的控制精度、动态性能和鲁棒性。

关键词：PID控制器;遗传算法;整定PID1 引言传统的比例、积分、微分控制，即PID控制具有算法简单、鲁棒性好和可靠性高等优点，已经被广泛用于工业生产过程。

但工程实际中，PID控制器的比例、积分和微分调节参数往往采用实验加试凑的方法由人工整定。

这不仅需要熟练的技巧，往往还相当费时。

更为重要的是，当被控对象特性发生变化，需要控制器参数作相应调整时，PID控制器没有自适应能力，只能依靠人工重新整定参数，由于经验缺乏，整定结果往往达不到最优值，难以满足实际控制的要求。

考虑生产过程的连续性以及参数整定费事费力，这种整定实际很难进行。

所以，人们从工业生产实际需要出发，基于常规PID控制器的基本原理，对其进行了各种各样的改进。

近年来许多学者提出了基于各种智能算法的PID整定策略，如模糊PID，神经元网络PID等…，但这些先进算法都要求对被控对象有很多的先验知识，在实际应用中往往难于做到。

随着计算技术的发展，遗传算法有了很大的发展。

将遗传算法用于控制器参数整定，已成为遗传算法的重要应用之一。

本文介绍基于遗传算法的PID参数整定设计方法。

这是一种寻求全局最优的控制器优化方法，且无需对目标函数微分，可提高参数优化效果，简化计算过程。

仿真实例表明该方法与其他传统寻优方法相比，在优化效果上具有一定的优势。

基于遗传优化算法对离散PID控制器参数的优化设计摘要PID控制作为一种经典的控制方法，从诞生至今，历经数十年的发展和完善，因其优越的控制性能业已成为过程控制领域最为广泛的控制方法；PID控制器具有结构简单、适应性强、不依赖于被控对象的精确模型、鲁棒性较强等优点，其控制性能直接关系到生产过程的平稳高效运行，因此对PID控制器设计和参数整定问题的研究不但具有理论价值更具有很大的实践意义，遗传算法是一种借鉴生物界自然选择和自然遗传学机理上的迭代自适应概率性搜索算法。

本论文主要应用遗传算法对PID调节器参数进行优化。

关键词：遗传优化算法PID控制器参数优化1.前言PID调节器是最早发展起来的控制策略之一，因为它所涉及的设计算法和控制结构都是简单的，并且十分适用于工程应用背景，此外PID控制方案并不要求精确的受控对象的数学模型，且采用PID控制的控制效果一般是比较令人满意的，所以在工业实际应用中，PID调节器是应用最为广泛的一种控制策略，也是历史最久、生命力最强的基本控制方式。

调查结果表明: 在当今使用的控制方式中，PID型占84. 5% ，优化PID型占68%，现代控制型占有15%，手动控制型66%，人工智能(AI)型占0.6% 。

如果把PID型和优化PID型二者加起来，则占90% 以上，这说明PID控制方式占绝大多数，如果把手动控制型再与上述两种加在一起，则占97.5% ，这说明古典控制占绝大多数。

就连科学技术高度发达的日本，PID控制的使用率也高达84.5%。

这是由于理论分析及实际运行经验已经证明了PID调节器对于相当多的工业过程能够起到较为满足的控制效果。

它结构简单、适用面广、鲁棒性强、参数易于调整、在实际中容易被理解和实现、在长期应用中己积累了丰富的经验。

特别在工业过程中，由于控制对象的精确数学模型难以建立，系统的参数又经常发生变化，运用现代控制理论分析综合要耗费很大的代价进行模型辨识，但往往不能达到预期的效果，所以不论常规调节仪表还是数字智能仪表都广泛采用这种调节方式。

控制系统参数优化算法的综述及比较引言：控制系统参数优化是控制理论与应用中的重要研究方向之一。

通过调整控制系统中的参数，可以改善系统的性能指标，提高系统的稳定性、响应速度和抗干扰能力。

针对不同的控制系统和性能需求，研究者提出了许多参数优化算法。

本文将综述常用的控制系统参数优化算法，并进行比较分析，旨在为研究者提供选择合适算法的参考。

一、PID算法PID（比例-积分-微分）算法是目前最常用的控制系统参数优化算法之一。

PID算法根据系统的误差、偏差和变化率进行计算，通过调整比例、积分和微分增益参数，可以实现系统的稳定控制和良好的响应速度。

PID算法简单易懂，计算速度快，但对于非线性系统和时变系统效果有限。

二、遗传算法遗传算法是一种模拟生物进化过程的优化算法，通过模拟遗传、变异和选择等操作，在参数空间中搜索最优解。

遗传算法具有全局优化能力，适用于非线性、多约束的复杂系统。

遗传算法的优点是可以通过引入随机性来避免陷入局部最优解，但算法收敛速度较慢，需要大量的计算资源。

三、模糊控制算法模糊控制算法模拟人类的模糊推理过程，基于模糊逻辑进行控制规则的设计。

模糊控制算法适用于具有模糊规则和模糊输入输出的系统，可以处理一些非精确性和模糊性较强的问题。

模糊控制算法的优点是简化了控制系统的建模过程，但在应对高精度控制和复杂的非线性系统时表现一般。

四、人工神经网络算法人工神经网络算法模拟人脑的神经网络结构和工作方式，通过学习和适应来进行参数优化。

人工神经网络算法适用于非线性、时变的系统，能够处理大量的输入输出数据。

人工神经网络算法的优点是具有自适应能力和非线性逼近能力，但需要大量训练数据和较长的训练时间。

五、粒子群优化算法粒子群优化算法模拟鸟群觅食行为，并通过互相通信和合作来搜索最优解。

粒子群优化算法具有简单、快速和全局搜索能力的优点，对于参数优化问题具有一定的适应性。

但在处理高维参数空间和复杂约束时效果较差。

六、灰色系统理论灰色系统理论通过将数据处理为灰色数列，利用灰色关联度分析和灰色预测等方法来进行参数优化。

基于遗传算法优化的自适应FNN-PID控制器研究高相铭;刘付斌【摘要】Conventional methods of designing the parameters of PID controller need a precise mathematic model of object, and moreover, the controller can not adjust ilself on line to the variation of the surroundings and the object. In contrast, fuzzy neural network (FNN) has fine adaptive ability and learning ability not requiring any mathematic model of object, genetic algorithm (GA) is a new optimization method with global random searching ability. So a kind of FNN-PID control method is proposed in which genetic algorithm and fuzzy neural networks are mixed. The genetic algorithm is used to optimize the parameters of the FNN' s membership function, and the back propagation algorithm is used to optimize the connection coefficients of fuzzy neural network. The simulation results show the system based on adaptive FNN-PID controller has better adaptability and robustness, and has the advantages of higher ability to resist disturbance and adaptability to parameters changing than conventional PID controller.%针对传统PID控制器参数整定后因无法在线自动调整而导致控制效果不理想的问题,提出了一种基于遗传算法优化模糊神经网络( FNN,FUZZY NEURAL NETWORK)的自适应FNN-PID控制器模型.该模型结合了模糊神经网络良好的自适应自学习能力和遗传算法强大的全局搜索能力.利用遗传算法对模糊神经网络的参数进行优化与训练,使PID控制器能够根据被控对象的变化而适时在线调整自身参数Kp,Kl和KD,从而达到理想的控制性能.将该控制器应用于异步电动机控制系统进行仿真实验,结果表明:基于遗传算法优化的自适应FNN-PID控制器具有较好的自适应能力和鲁棒性,控制效果明显优于传统PID控制器.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2012(012)027【总页数】6页(P6949-6954)【关键词】FNN-PID;遗传算法;异步电动机【作者】高相铭;刘付斌【作者单位】安阳师范学院物理与电气工程学院,安阳455000;安阳师范学院物理与电气工程学院,安阳455000【正文语种】中文【中图分类】TP273.21长久以来，异步电机控制系统通常采用PID算法来实现较高精度的速度控制。

基于遗传算法的PID参数优化目录1 绪论 (1)1.1 选题意义与研究价值 (1)1.1.1 PID控制器 (1)1.1.2 PID 控制器参数优化分类 (3)1.1.3 遗传算法的简介 (6)1.2国内外研究现状 (7)1.3 本文的主要研究内容 (7)2 遗传算法 (8)2.1 遗传算法概要 (8)2.2 基本遗传算法的实现技术 (9)2.2.1算法流程 (9)2.2.2 编码方法 (10)2.2.3 适应度函数 (10)2.2.4 选择、交叉、变异算子 (11)2.3 遗传算法与其他算法比较 (11)2.4 遗传算法优点 (13)3 基于遗传算法的PID控制器参数优化 (14)3.1 传统遗传算法的PID整定 (14)3.2 算法步骤 (15)3.3 系统仿真—MATLAB语言 (16)3.3.1 遗传算法的参数设置 (16)3.3.2 MATLAB 遗传算法操作 (16)4 基于遗传算法的PID参数优化的应用 (18)4.1 柴油机调速系统模型概述 (18)4.1.1 测速环节 (18)4.1.2 柴油机 (19)4.1.3柴油机控制系统模型 (19)4.1.4 数学模型的建立 (19)4.2 柴油机调速系统的PID参数优化设计与仿真 (20)4.3 基于遗传算法优化柴油机调速系统PID参数 (22)结论 (25)1 绪论1.1 选题意义与研究价值20世纪30年代以来，自动化生产飞速发展，取得了惊人的成就，过程控制是工业自动化中的一个重要分支。

生产对过程控制的要求为安全性、稳定性以及经济性，在很多情况下，PID控制器就可以实现其控制任务，而且，它也以自身结构简单、容易实现、鲁棒性强等优点，在各个工业生产控制中占据着主导地位。

PID控制器的设计和应用，其核心问题就是参数的整定与优化，合适的控制器参数会使得生产更为高效与安全，在方案设计合理的基础上，参数的整定将会影响到控制器的质量[1]。

随着现代控制理论的建立与完善，过程控制的方法和思路也在不断创新，与此同时，为了适应日益提高的生产工艺，过程控制的要求也越来越高。

总第233期2009年第3期计算机与数字工程Computer&D ig ital Eng ineer ingV o l.37No.378基于改进遗传算法的PID参数寻优与控制器设计*成学亮尉宇王涛(武汉科技大学信息科学与工程学院武汉430080)摘要相比传统的调节方法,遗传算法具有更好的鲁棒性、最优性,能较好的实现参数的自动化调节。

对标准遗传算法(SGA)进行了分析、研究,并在SGA的基础上进行了改进。

改进的遗传算法从提高全局搜索性能和加快收敛速度出发,提出了改进的选择算子、交叉算子和变异算子,仿真结果表明,改进的遗传算法的全局搜索性能和收敛速度远远优于标准遗传算法。

关键词遗传算法PID控制器参数优化中图分类号T P301.6Parameters Optimizatio n and Design f or PID ControllerBased on a New Genetic AlgorithmCheng X ue liang W ei Y u W ang T ao(D ept.of Inf or mat io n Scie nce and Eng ineer ing,W uhan U niver sity o f Science and T echno lo gy,W uha n430081)A bstract Co mpare d w ith the c omm on m ethods,the tuning me thod based on G A can g et bette r pa ram eter s,with few er limits.T he author a naly zed and studie d the standar d gene tic alg or ithms(G A),impr o ved the algo r ithm based on SG A.A dded so me new impr ov ed steps,impr ov ed alg or ithm eff iciently so lves the pr oblem o f g lo ba l co nver gence and im-pr ov es the co nver ge nce speed.T he ne w steps are se lect oper ato r、cr o sso ver oper ato r and mutation oper ato r.T he globa l conv erg ence and the co nv er gence speed o f impro ve d a lg or ithm are m or e sa tisf ie r tha n SG A.Key words g enetic a lg or ithms,PI D contr o ller,par ameter tuningClass Nu mber T P301.61前言目前随着现代工业控制过程和环境的日趋复杂化,对PID控制系统的控制品质提出了更高的要求。