遗传算法优化PID控制参数研究

遗传算法入门实例：对PID参数寻优[原创][这乌龟飙得好快啊]开始之前：假设你已经：能运用C语言，初步了解PID、遗传算法的原理。

遗传算法能干什么？（我有个毛病：每当遇到一个东东，我首先会设法知道：这个东东能干什么呢？）遗传算法可以解决非线性、难以用数学描述的复杂问题。

也许这样的陈述让你觉得很抽象，把它换成白话说就是：有个问题我不知道甚至不可能用数学的方法去推导、解算，那么也许我就可以用遗传算法来解决。

遗传算法的优点是：你不需要知道怎么去解决一个问题; 你需要知道的仅仅是，用怎么的方式对可行解进行编码，使得它能能被遗传算法机制所利用。

如果你运用过PID来控制某个系统，那你一定非常清楚：PID麻烦就在那三个参量的调整上，很多介绍PID的书上常搬一些已知数学模型的系统来做实例环节，但事实上我们面对的往往是不可能用数学模型描述的系统，这个时候该怎么取PID的参值呢？1、可以依靠经验凑试，耗时耗精力。

2、离线规划，这就是下文要做的事情3、在线规划，比方说神经网络PID（后续文章将推出，做个广告先^_^）。

一、 将PID用在本次试验中来个问题先：A VR怎样利用片上和少量的外围器件快速准确地实现D/A输出？（0~5V）1、实验电路的搭建：图１：实验原理图搭建这样的电路纯粹是为了本次实验的直观（超调、调整不足等现象通过示波器一目了然），当然，如果实际工程这么简单那也用不到PID，更用不到遗传算法了。

回归话题，解释下上面的电路：M16单片机的OC2输出0~100%占空比的PWM，经过RC，可以得到0~5V 的直流电压，这就实现了简易的Ｄ／Ａ（实际实验，发现输出电压是1.XX伏~4.XX 伏，未带负载）。

用一个图表示：这个时候如果我要输出 3.5V （可以是其它值）电压，该加怎样的ＰＷＭ呢？（有个简单的方法：标定，但是这种方法系统调整响应速度较为缓慢，理由见图５下附言）也许我们可以把这个输出电压加到Ａ／Ｄ反馈到系统，这样就形成了闭环控制：系统输出PWM ——>> PWM 转换成电压——>>A/D 采集，获得实际值与目标值的偏差（例如3.5V ）——>>将偏差进行PID 加载到PWM 输出(然后输出又影响下一次的输入……)把示波器加到测试点上，调整扫描周期，使示波器能看到完整的一个调整过程。

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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PID控制原理与参数整定方法PID控制是一种常用的反馈控制方法，它通过测量控制系统的输出与期望输入之间的差异，计算出一个控制信号来调节控制系统的行为。

PID 控制器的主要参数有比例增益（Proportional），积分时间（Integral）和微分时间（Derivative）。

通过调节这些参数，可以实现对控制系统的动态响应和稳定性的优化。

首先，我们来了解一下PID控制器的工作原理。

PID控制器是基于控制误差和误差的变化率来计算输出控制信号的，它包含三个部分：比例控制项、积分控制项和微分控制项。

比例控制项（P项）以控制误差的比例关系来计算输出信号。

它的计算公式为：P=Kp*e(t)，其中Kp为比例增益，e(t)为控制误差。

比例增益越大，控制器对误差的纠正力度越大，但过大的比例增益会引起震荡。

积分控制项（I项）以控制误差的累积值来计算输出信号。

它的计算公式为：I = Ki * ∫e(t)dt，其中Ki为积分时间，∫e(t)dt为控制误差的累积值。

积分控制项主要用于消除稳态误差，但过大的积分时间会引起超调和不稳定。

微分控制项（D项）以控制误差的变化率来计算输出信号。

它的计算公式为：D = Kd * de(t)/dt，其中Kd为微分时间，de(t)/dt为控制误差的变化率。

微分控制项主要用于抑制系统的震荡和快速响应，但过大的微分时间会引起噪声放大。

接下来，我们来介绍一下PID参数整定的方法。

在实际应用中，PID 参数的选择通常需要经验和试验。

以下是常用的PID参数整定方法。

1.经验设置法：根据经验设置PID参数的初始值，然后根据实际系统的响应进行调整。

这种方法需要经验和实践的积累，适用于经验丰富的控制工程师。

2. Ziegler-Nichols方法：这是一种基于实验步骤响应曲线的整定方法。

该方法通过观察控制系统的临界点，确定比例增益、积分时间和微分时间的初始值，然后通过试探法逐步调整，直到系统达到所需的动态响应。

曝气池溶解氧(DO)在污水处理中是一个重要运行参数，理论分析，当溶解氧达到0.3mg/L 就不会影响水中微生物的生理功能。

考虑到水质及水量变化波动情况，通常保证入口处为0.5-1mg/L ，出口处为2-3mg/L 。

按溶解氧数值控制风量是目前比较理想的控制方法。

在城市生活污水停留时间内需要氧气(或空气)数量与污水的水质指标有关，如SS(悬浮物)、COD(化学需氧量)、BOD (生物需氧量)、水量及水温等。

根据工艺理论分析，通过经验公式计算可以得到鼓风量的理论值。

在实际运行时，能够根据进水的水质和水量的变化对鼓风量作出调整。

实际工作中，需要通过实验得到污水水质指标。

测定一些指示需很多时间，如测量COD 需要数小时，测量BOD 甚至需要几天时间，这不利于进行实时控制。

实际工程应用中，对于连续流动的曝气池，只要污水在曝气池出口的溶解氧浓度保持在某一设定值，就可以不考虑水质、水量、水温等扰动的变化，从宏观上能较好地满足菌胶团繁殖和有机物分解的需要，从而保持污泥活性，保证污水的连续处理。

为达到可靠的控制，可参数间的关系是：污水中溶解氧含量的偏差与曝气量的增量(或减量)成反比，即当溶解氧值偏小时，向大调节气量；反之亦然。

当我们在实际中，曝气量值的设定是根据工艺理论值为参考的，经溶解氧反馈信号比较后，再根据偏差大小的结果随时对气量的多少进行调节，从而确保了污水的溶解氧值可以维持最初设定值内。

下面是国内污水处理厂设计当中常采用的控制方案。

图1溶解氧控制过程框图如图1所示的串级控制系统，副回路采用PI 控制策略，主回路一般采用PID 控制策略。

这样虽然比简单的单回路系统控制效果好，但是由于溶解氧控制过程是一个极其复杂的化学反应过程，非线性、大滞后。

传统的PID 参数整定方法很难确定合适的PID 参数，并且参数不具备在线调整功能，无法适应工况变化，难以取得良好的控制效果，因此本文主要研究溶解氧浓度PID 控制器参数自整定的方法进行研究。

控制系统PID调节器设计方法及参数优化PID调节器是控制系统中常用的一种控制器，用于调节系统的输出与给定的参考输入之间的误差。

PID调节器的设计方法及参数优化对于控制系统的稳定性、快速性和精确性有着重要的影响。

在本文中，我们将详细介绍PID调节器的设计方法以及参数的优化技术。

首先，我们来介绍PID调节器的设计方法。

PID调节器由比例控制器（P）、积分控制器（I）和微分控制器（D）三个部分组成。

比例控制器根据误差的大小来调节控制变量的输出；积分控制器用来消除静差，即使得系统的稳态误差为零；微分控制器用来预测误差的变化趋势，进一步改善系统的动态性能。

设计PID调节器的第一步是确定比例增益（Kp）、积分时间（Ti）和微分时间（Td）这三个参数的初始值。

通常情况下，可以先将比例增益设定为一个合适的值，然后逐步调整积分时间和微分时间。

比例增益的大小决定了系统对于误差的响应速度；积分时间的选择应该考虑系统的稳态误差；微分时间用来抑制系统的超调量。

在初始参数设定好之后，接下来就需要进行参数的优化。

常用的参数优化方法包括试错法、Ziegler-Nichols法和一些现代控制理论方法。

试错法是最直观的方法，通过反复尝试不同的参数值直到满足系统的要求。

Ziegler-Nichols法是一种经验法则，通过系统的临界增益和临界周期来确定参数。

现代控制理论方法则采用数学优化技术，通过最小化某个性能指标来确定最佳参数。

除了以上介绍的方法，还有一些参数优化的注意事项需要考虑。

首先，要注意避免参数的过调。

参数过大会导致系统不稳定，而参数过小则会导致系统响应过慢。

其次，要根据实际系统的特点来确定参数的取值范围，避免不合理的参数设定。

另外，对于非线性系统，可能需要采用自适应控制方法来实现参数的优化。

最后，还要提到一些现代控制理论中关于PID控制器的改进方法。

例如，可以采用二阶PID控制器来提高系统的动态性能和稳态精度。

还可以结合模糊控制、神经网络和遗传算法等方法来实现自适应的PID控制。

电机的智能控制算法研究一、引言电机作为一种常用的机电转换装置，广泛应用于各个领域。

为了实现电机的精准控制和优化性能，不断涌现出各种智能控制算法。

本文将重点介绍电机的智能控制算法研究，并探讨其在电机控制领域的应用及发展趋势。

二、电机的智能控制算法分类电机的智能控制算法主要可以分为以下几类：1. PI控制算法PI控制算法是一种经典的智能控制算法，通过调节比例和积分参数来实现电机转速、位置等的控制。

这种算法简单易懂，应用广泛，在很多电机控制系统中得到了验证和应用。

2. PID控制算法PID控制算法在PI控制算法的基础上引入了微分项，增强了对电机动态响应的控制能力。

它可以通过调节比例、积分和微分参数来实现电机精确的转速、位置等控制，是一种常用的智能控制算法。

3. 模糊控制算法模糊控制算法是一种基于模糊逻辑的智能控制算法，可以处理电机控制中的非线性和模糊性问题。

它通过建立模糊规则和模糊推理机制来实现电机的精确控制。

模糊控制算法具有很好的鲁棒性和适应性，适合于复杂电机控制系统。

4. 神经网络控制算法神经网络控制算法采用人工神经网络模型来构建电机的控制模型，并通过训练网络权值来实现电机的控制。

神经网络控制算法具有较强的非线性拟合能力，可以处理复杂电机控制问题。

它在电机控制领域有着广泛的应用和研究。

5. 遗传算法优化控制遗传算法优化控制是一种基于生物进化的智能控制算法，通过模拟生物的进化过程来搜索电机控制的最优解。

遗传算法优化控制可以应用于电机参数优化、运动规划等方面，提高电机的性能和控制效果。

三、电机智能控制算法的应用电机的智能控制算法在各个领域得到了广泛的应用，下面我们将重点介绍几个应用案例：1. 工业控制领域在工业控制领域，电机的智能控制算法被广泛应用于电机驱动系统、自动化生产线等方面。

通过采用智能控制算法，可以实现电机的高效率、高精度控制，提高生产效率和产品质量。

2. 机器人控制领域在机器人控制领域，电机作为机器人关节的驱动装置，其智能控制算法直接影响机器人的运动性能和精确度。

基于遗传算法和BP神经网络的PID控制方法的交流伺服系统研究【摘要】BP网络模型己成为神经网络的重要模型之一，在很多领域得到了应用，但它也存在一些不足。

如从数学上看，它是一个非线性优化问题，这就不可避免地存在局部极小点问题；BP网络学习算法收敛速度较慢，且收敛速度与初始权值的选择有关；网络的结构设计，即隐层及节点数的选择尚无理论直到，而是根据经验选取。

本文针对BP算法局部极值的缺点，考虑将遗传算法和BP 算法结合，进行对BP神经网络进行优化。

用遗传算法优化神经网络，主要包括三个方面：连接权的进化、网络结构的进化，学习规则的进化。

【关键词】GA-BP神经网络；遗传算法；学习规则1 遗传算法基本原理遗传算法（Genetic Algorithm，简称GA），最初由美国Michigan大学J.Holland 教授于1975年提出，模拟达尔文生物进化论的自然选择，遵循“生存竞争、优胜劣汰、适者生存”的竞争机制和遗传学机理的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。

GA的特点是演算简单，并行搜索，直接对结构对象进行操作，不存在求导和函数连续性的限定，搜索效率高，不存在局部收敛问题。

遗传算法的基本操作有选择、交叉和变异。

（1）选择选择不能创造出新的染色体，只能从旧种群中选择出优秀的个体，生物遗传基因的重组在自然界的生物进化过程中起着非常重要的核心作用。

（2）交叉交叉是指把两个父代个体中的部分结构加以替换，重组而生成新的个体的操作。

遗传操作的交叉算子在遗传算法中起着核心作用。

交叉策略可分为单点交叉、多点交叉、均匀交叉等，最常用的交叉算子为单点交叉。

（3）变异将变异引入遗传算法后，不但可以使遗传算法具有局部的随机搜索能力，又能使遗传算法维持群体的多样性，这样可以防止出现未成熟收敛现象，采用变异操作可以在尽可能大的空间中获得质量较高的优化解。

遗传算法中，交叉算子是因其全局搜索能力强而著称的主要算子，而变异算子是局部搜索能力较强辅助算子的。