基于遗传算法的PID参数整定的MATLAB程序代码

遗传算法在调节控制系统参数中的应用【摘要】自动化控制系统多采用PID 控制器来调节系统稳定性和动态性，PID 的Kp,Ki,Kd 参数需要合理选择方能达到目标。

遗传算法是一种模拟生物进化寻求最优解的有效算法，本文通过利用GAbx 工具箱实现对控制电机的PID 进行参数优化，利用matlab 的仿真功能可以观察控制效果。

1. 直流伺服电机模型 1.1物理模型图1 直流伺服电机的物理模型αu ---电枢输入电压（V ） a R ---电枢电阻（Ω） S L ---电枢电感（H ） q u ---感应电动势（V ） g T ---电机电磁转矩（N m ⋅） J---转动惯量（2m kg ⋅）B---粘性阻尼系数（s m N ⋅⋅） g i ---流过电枢的电流（A ） θ---电机输出的转角（rad ）1.2传递函数利用基尔霍夫定律和牛顿第二定律得出电机基本方程并进行拉布拉斯变换)()()()()()()()()()()(2s s K s U K s I s T s Bs s Js s T s I s L R s I s U s U e q t a g g a a a a q a θθθ⋅=⋅=⋅+⋅=⋅+⋅=-式中：t K 为电机的转动常数（m N ⋅）A ；e K 为感应电动势常数（s V ⋅）radaa R s L +1S1 BJs +1i KC K)(s U a)(s U q)(s I a )(s T g)(s Ω)(s θ图2 直流伺服电机模型方框图消去中间变量得系统的开环传递函数：sK K B Js R s L K s U s s G C t a d ta ]))([()()()(+++==θ系统参数如下：s m uN B m mg J ⋅⋅=⋅=51.3,23.32A m N K K uH L R e t a a )(03.0,75.2,4⋅===Ω=2. PID 校正图3 PID 校正s K sK K s G d ip c ++=)( Kp,Ki,Kd 为比例，积分，微分系数 令Kp=15、Ki=0.8 、Kd=0.6M 文件：J=3.23E-6;B=3.51E-6; Ra=4;La=2.75E-6; Kt=0.03; num= Kt;den=[(J*La) ((J*Ra)+(La*B)) ((B*Ra)+Kt*Kt) 0]; t=0:0.001:0.2; step(num,den,t); Kp=15; Ki=0.8; Kd=0.6;numcf=[Kd Kp Ki]; dencf=[1 0];numf=conv(numcf,num); denf=conv(dencf,den);[numc,denc]=cloop(numf,denf); t=0:0.001:0.04; step(numc,denc,t);matlab 进行仿真，我们可以看出不恰当的PID 参数并不能使系统达到控制系统的要求，因此需要对PID参数进行优化。

本科生毕业设计(论文)论文题目：基于遗传算法的PID参数优化毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

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控制理论与应用Control Theory and Applications《自动化技术与应用》2004年第23卷第7期用遗传算法实现PID 参数整定万佑红1,李新华2(1.南京邮电学院电子工程系,江苏　南京　210003; 2.安徽大学电子工程系,安徽　合肥　230001)摘要:PI D 参数整定一直是控制领域中的重要研究问题。

本文在M AT LAB 平台上将遗传算法应用于PI D 参数的自动整定,算法实例仿真取得了良好的效果,为PI D 参数整定方法提供了一种新的尝试。

关键词:PI D 参数;遗传算法中图分类号:TP27312　文献标识码:A 文章编号:100327241(2004)0720007202PID Tu nin g Bas e d O n Ge netic Alg orit h m sWAN You -hong 1,LI Xin -hua 2(1.E lectronics Department of Nanjing University of P osting T echnology ,Nanjing 210003,China ;2.E lectronics Department of AnHui University ,Hefei 230001,China )Abstract :A new method to s olve the tuning of PI D paramrters is proposed in this paper.I t is showed that g ood control effect can be obtained by usingG enetic Alg orithms (G A ).K ey w ords :PI D paramrters ;G A1　引言PI D 控制无需知道被控对象的数学模型,算法简单,鲁棒性好且可靠性高,因此成为一种获得广泛应用的控制策略。

PID控制是工业过程控制中应用最广的策略之一，因此PID控制器参数的优化成为人们关注的问题，它直接影响控制效果的好坏，并和系统的安全、经济运行有着密不可分的关系。

目前PID参数的优化方法有很多，如间接寻优法、梯度法、爬山法等，而在热工系统中单纯形法专家整定法则应用较广。

虽然这些方法都具有良好的寻优特性，但存在着一些弊端，单纯形法对初值比较敏感，容易陷入局部最优化解，造成寻优失败。

专家整定法则需要太多的经验，不同的目标函数对应不同的经验，而整理知识库则是一项长时间的工程。

因此我们选取了遗传算法来进行参数寻优，该方法是一种不需要任何初始信息并可以寻求全局最优解的、高效的优化组合方法。

采用遗传算法进行PID三个系数的整定，具有以下优点：（1）与单纯形法相比，遗传算法同样具有良好的寻优特性，且克服了单纯形法参数初值的敏感性。

在初始条件选择不当的情况下，遗传算法在不需要给出调节器初始参数的情况下，仍能寻找到合适的参数，使控制目标满足要求。

同时单纯形法难以解决多值函数问题以及在多参数寻优（串级系统）中，容易造成寻优失败或时间过长，而遗传算法的特性决定了它能很好地客服以上问题。

（2）与专家整定相比，它具有操作方便、速度快的优点，不需要复杂的规则，只通过字串进行简单地复制、交叉、变异，便可达到寻优。

避免了专家整定法中前期大量的知识库整理工作及大量的仿真实验。

（3）遗传算法是从许多点开始并行操作，在解空间进行高效启发式搜索，克服了从单点出发的弊端及搜索的盲目性，从而使寻优速度更快，避免了过早陷入局部最优解。

（4）遗传算法不仅适用于单目标寻优，而且也适用于多目标寻优，根据不同的控制系统，针对一个或多个目标，遗传算法均能在规定的范围内寻找到合适参数。

遗传算法作为一种全局优化算法，得到越来越广泛的应用。

近年来，遗传算法在控制上的应用日益增多。

二、基于遗传算法的PID整定原理1、参数的确定及表示首先确定参数范围，该范围一般是由用户给定，然后由精度的要求，对其进行编码。

引言PID操纵器结构简单且鲁棒性强，在操纵领域一直被普遍应用。

运算机的进展为在线辩识提供了条件，从而也为在线整定PID参数提供了可能。

PID操纵是工业进程中应用最普遍的策略之一，因此PID 操纵器参数的优化成为人们关注的问题，它直接阻碍操纵成效的好坏，并和系统的平安、经济运行有着密不可分的关系。

目前PID参数的优化方式很多，如：间接寻优法，梯度法，登山法等，而在热工系统中单纯形法、专家整定法那么应用普遍。

尽管二者都具有良好的寻优特性，但却存在一些短处，单纯刑法对初值比较灵敏，容易陷入局部最优解，造成寻优失败。

专家整定法那么需要太多体会，不同的目标函数对应不同的体会，而整理知识库是一项长时刻的工程。

因此咱们选取遗传算法来进行参数寻优，该方式是一种不需要任何初始信息并能够寻求全局最优解的高效的优化组合方式。

第一章：遗传算法和PID操纵原理简介一遗传算法简介大体原理遗传算法是依照生物进化的模型提出的一种优化算法。

遗传算法是从代表问题可能潜在解集的一个群组（popuation）开始的，而一个种群那么由通过基因（gene）编码（coding）的必然数量的个体（individual）组成。

每一个个体事实上是染色体（chromosome）带有特点的实体。

染色体作为遗传物质的要紧载体，即多个基因组合，其内部表现（即基因型）是某种基因组合，它决定了个体的形状的外部表现。

因此，在一开始需要实现从表现型到基因型的映射即编码工作。

由于仿照基因编码的工作很复杂，咱们往往进行简化，如二进制编码。

初代种群产生以后，依照适者生存和优胜劣汰的原理，逐代（genetation）演化产生出愈来愈好的近似解。

在每一代，依照问题域中个体的适应度（fitness）大小挑选（selection）个体，并借助于自然遗传学的遗传算子（genetic operator）进行组合交叉.（crossover）和变异（mutation）,产生出代表新的解集的种群。

摘要本文使用的是遗传算法对PID控制器参数的整定，PID控制器是过程控制中应用最为广泛的控制方法，PID控制理论成熟、算法简单、鲁棒性好、可靠性高。

控制器参数的选择决定了控制的稳定性和快速性，关乎系统的可靠性。

因此，PID 控制器参数整定问题是自动控制领域研究的一个重要内容。

实际工业生产过程往往具有非线性、时变性，人工试凑的参数整定方法往往整定不良、性能不佳，对运行工况的适应性很差。

本文基于遗传算法对数字PID控制器进行参数整定，可以提高优化性能，缩短整定时间。

关键词：数字PID控制器；参数整定；遗传算法；二次性能指标1引言PID控制作为比较成熟的控制技术广泛应用于工业生产过程，目前绝大多数底层控制都采用PID控制器。

实际应用中控制器的参数往往采用实验试凑的方法人工整定，该方法往往整定不良、性能不佳，而且对运行工况的适应性很差。

近年来随着计算机技术的广泛应用，人工智能算法PID整定策略发展迅速，如模糊PID、专家PID、神经元网络PID以及遗传算法等。

这些算法能够实现提高优化性能，缩短整定时间，实际应用方便的控制目标。

2PID控制器PID控制器是将偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制的。

模拟PID控制的系统原理图如图1所示。

图1. 模拟PID 控制的系统原理图模拟PID 控制规律为位置式：()()()()01=++tp DI de t u t k e t e t dt T T dt ⎡⎤⎢⎥⎣⎦⎰（1） 当系统采样周期为T 时，对上式离散化处理，可得到离散位置式PID 控制表达式：()()()()()=1--1=++kp i dj e k e k u k k e k k e j T k T ∑（2） 式中=/i p I k k T ，=d p D k k T 。

增量式PID 控制表达式可以表示为：()()()=-1+u k u k u k ∆（3）()()()()()()()()()=--1++-2-1+-2p i d u k k e k e k k e k k e k e k e k ∆（4）3 遗传算法遗传算法（Genetic Algorithm ）是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型，将达尔文生物进化理论引入参数寻优之中，适应度高的个体越容易被保留，经过若干代数遗传操作，种群各个体的适应度不断提高，直至满足一定的极限条件，获得优化问题最优解。

matlab自整定pid算法
MATLAB中有多种方法可以自整定PID算法，以下是其中两
种常见的方法：
1. Ziegler-Nichols方法：
- 首先，将PID控制器的P和I增益设置为零，将D增益设置
为一个较小的非零值。

- 增加P增益，直到系统出现持续的高频振荡。

记录下此时的
P增益，记为Ku。

- 根据振荡的周期T，计算出临界增益Kc：Kc = 0.6 * Ku。

- 将PID控制器的增益重新设置为零，根据以下公式计算PID
控制器的增益：Kp = 0.6 * Kc，Ki = 1.2 / (T * Kc)，Kd = 0.075 / (T * Kc)。

- 将这些增益值设置到PID控制器中，进行实际的控制。

2. AMIGO方法：
- 首先，收集系统的开环响应数据，包括输入信号和输出信号。

- 使用AMIGO工具箱读取数据并进行预处理。

- 选择合适的模型结构，例如一阶传递函数、二阶传递函数等。

- 使用AMIGO工具箱中的模型校准方法，例如最小二乘法或
极大似然法，将模型参数校准到实际数据中。

- 根据得到的模型参数，计算PID控制器的增益值。

- 将这些增益值设置到PID控制器中，进行实际的控制。

根据具体的系统和要求，可以选择适合的自整定方法，并使用MATLAB进行实现。

遗传算法matlab程序代码遗传算法是一种优化算法，用于在给定的搜索空间中寻找最优解。

在Matlab中，可以通过以下代码编写一个基本的遗传算法：% 初始种群大小Npop = 100;% 搜索空间维度ndim = 2;% 最大迭代次数imax = 100;% 初始化种群pop = rand(Npop, ndim);% 最小化目标函数fun = @(x) sum(x.^2);for i = 1:imax% 计算适应度函数fit = 1./fun(pop);% 选择操作[fitSort, fitIndex] = sort(fit, 'descend');pop = pop(fitIndex(1:Npop), :);% 染色体交叉操作popNew = zeros(Npop, ndim);for j = 1:Npopparent1Index = randi([1, Npop]);parent2Index = randi([1, Npop]);parent1 = pop(parent1Index, :);parent2 = pop(parent2Index, :);crossIndex = randi([1, ndim-1]);popNew(j,:) = [parent1(1:crossIndex),parent2(crossIndex+1:end)];end% 染色体突变操作for j = 1:NpopmutIndex = randi([1, ndim]);mutScale = randn();popNew(j, mutIndex) = popNew(j, mutIndex) + mutScale;end% 更新种群pop = [pop; popNew];end% 返回最优解[resultFit, resultIndex] = max(fit);result = pop(resultIndex, :);以上代码实现了一个简单的遗传算法，用于最小化目标函数x1^2 + x2^2。

遗传算法及其MATLAB程序代码遗传算法及其MATLAB实现主要参考书：MATLAB 6.5 辅助优化计算与设计飞思科技产品研发中⼼编著电⼦⼯业出版社2003.1遗传算法及其应⽤陈国良等编著⼈民邮电出版社1996.6主要内容：遗传算法简介遗传算法的MATLAB实现应⽤举例在⼯业⼯程中,许多最优化问题性质⼗分复杂,很难⽤传统的优化⽅法来求解.⾃1960年以来,⼈们对求解这类难解问题⽇益增加.⼀种模仿⽣物⾃然进化过程的、被称为“进化算法（evolutionary algorithm）”的随机优化技术在解这类优化难题中显⽰了优于传统优化算法的性能。

⽬前，进化算法主要包括三个研究领域：遗传算法、进化规划和进化策略。

其中遗传算法是迄今为⽌进化算法中应⽤最多、⽐较成熟、⼴为⼈知的算法。

⼀、遗传算法简介遗传算法（Genetic Algorithm, GA）最先是由美国Mic-hgan⼤学的John Holland于1975年提出的。

遗传算法是模拟达尔⽂的遗传选择和⾃然淘汰的⽣物进化过程的计算模型。

它的思想源于⽣物遗传学和适者⽣存的⾃然规律，是具有“⽣存+检测”的迭代过程的搜索算法。

遗传算法以⼀种群体中的所有个体为对象，并利⽤随机化技术指导对⼀个被编码的参数空间进⾏⾼效搜索。

其中，选择、交叉和变异构成了遗传算法的遗传操作；参数编码、初始群体的设定、适应度函数的设计、遗传操作设计、控制参数设定等5个要素组成了遗传算法的核⼼内容。

遗传算法的基本步骤：遗传算法是⼀种基于⽣物⾃然选择与遗传机理的随机搜索算法，与传统搜索算法不同，遗传算法从⼀组随机产⽣的称为“种群(Population)”的初始解开始搜索过程。

种群中的每个个体是问题的⼀个解，称为“染⾊体(chromos ome)”。

染⾊体是⼀串符号，⽐如⼀个⼆进制字符串。

这些染⾊体在后续迭代中不断进化，称为遗传。

在每⼀代中⽤“适值(fitness)”来测量染⾊体的好坏，⽣成的下⼀代染⾊体称为后代（offspring）。

遗传算法程序matlab本程序收集于网络，本人并未进行过运行，如有问题请与作者联系，如有侵权请告之遗传算法程序:说明: fga.m 为遗传算法的主程序; 采用二进制Gray编码,采用基于轮盘赌法的非线性排名选择, 均匀交叉,变异操作,而且还引入了倒位操作!function [BestPop,Trace]=fga(FUN,LB,UB,eranum,popsize,pCross,pMutation,pInversion,options) % [BestPop,Trace]=fmaxga(FUN,LB,UB,eranum,popsize,pcross,pmutation)% Finds a maximum of a function of several variables.% fmaxga solves problems of the form:% max F(X) subject to: LB <= X <= UB% BestPop - 最优的群体即为最优的染色体群% Trace - 最佳染色体所对应的目标函数值% FUN - 目标函数% LB - 自变量下限% UB - 自变量上限% eranum - 种群的代数,取100--1000(默认200)% popsize - 每一代种群的规模；此可取50--200(默认100)% pcross - 交叉概率,一般取0.5--0.85之间较好(默认0.8)% pmutation - 初始变异概率,一般取0.05-0.2之间较好(默认0.1)% pInversion - 倒位概率,一般取0.05－0.3之间较好(默认0.2)% options - 1*2矩阵,options(1)=0二进制编码(默认0),option(1)~=0十进制编%码,option(2)设定求解精度(默认1e-4)%% ------------------------------------------------------------------------T1=clock;if nargin<3, error('FMAXGA requires at least three input arguments'); endif nargin==3, eranum=200;popsize=100;pCross=0.8;pMutation=0.1;pInversion=0.15;options=[0 1e-4];endif nargin==4, popsize=100;pCross=0.8;pMutation=0.1;pInversion=0.15;options=[0 1e-4];endif nargin==5, pCross=0.8;pMutation=0.1;pInversion=0.15;options=[0 1e-4];endif nargin==6, pMutation=0.1;pInversion=0.15;options=[0 1e-4];endif nargin==7, pInversion=0.15;options=[0 1e-4];endif find((LB-UB)>0)error('数据输入错误,请重新输入(LB<UB):');ends=sprintf('程序运行需要约%.4f 秒钟时间,请稍等......',(eranum*popsize/1000));disp(s);global m n NewPop children1 children2 VarNumbounds=[LB;UB]';bits=[];VarNum=size(bounds,1);precision=options(2);%由求解精度确定二进制编码长度bits=ceil(log2((bounds(:,2)-bounds(:,1))' ./ precision));%由设定精度划分区间[Pop]=InitPopGray(popsize,bits);%初始化种群[m,n]=size(Pop);NewPop=zeros(m,n);children1=zeros(1,n);children2=zeros(1,n);pm0=pMutation;BestPop=zeros(eranum,n);%分配初始解空间BestPop,TraceTrace=zeros(eranum,length(bits)+1);i=1;while i<=eranumfor j=1:mvalue(j)=feval(FUN(1,:),(b2f(Pop(j,:),bounds,bits)));%计算适应度end[MaxValue,Index]=max(value);BestPop(i,:)=Pop(Index,:);Trace(i,1)=MaxValue;Trace(i,(2:length(bits)+1))=b2f(BestPop(i,:),bounds,bits);[selectpop]=NonlinearRankSelect(FUN,Pop,bounds,bits);%非线性排名选择[CrossOverPop]=CrossOver(selectpop,pCross,round(unidrnd(eranum-i)/eranum));%采用多点交叉和均匀交叉，且逐步增大均匀交叉的概率%round(unidrnd(eranum-i)/eranum)[MutationPop]=Mutation(CrossOverPop,pMutation,VarNum);%变异[InversionPop]=Inversion(MutationPop,pInversion);%倒位Pop=InversionPop;%更新pMutation=pm0+(i^4)*(pCross/3-pm0)/(eranum^4);%随着种群向前进化，逐步增大变异率至1/2交叉率p(i)=pMutation;i=i+1;endt=1:eranum;plot(t,Trace(:,1)');title('函数优化的遗传算法');xlabel('进化世代数(eranum)');ylabel('每一代最优适应度(maxfitness)');[MaxFval,I]=max(Trace(:,1));X=Trace(I,(2:length(bits)+1));hold on; plot(I,MaxFval,'*');text(I+5,MaxFval,['FMAX=' num2str(MaxFval)]);str1=sprintf('进化到%d 代,自变量为%s 时,得本次求解的最优值%f\n对应染色体是：%s',I,num2str(X),MaxFval,num2str(BestPop(I,:)));disp(str1);%figure(2);plot(t,p);%绘制变异值增大过程T2=clock;elapsed_time=T2-T1;if elapsed_time(6)<0elapsed_time(6)=elapsed_time(6)+60; elapsed_time(5)=elapsed_time(5)-1;endif elapsed_time(5)<0elapsed_time(5)=elapsed_time(5)+60;elapsed_time(4)=elapsed_time(4)-1;end %像这种程序当然不考虑运行上小时啦str2=sprintf('程序运行耗时%d 小时%d 分钟%.4f 秒',elapsed_time(4),elapsed_time(5),elapsed_time(6));disp(str2);%初始化种群%采用二进制Gray编码,其目的是为了克服二进制编码的Hamming悬崖缺点function [initpop]=InitPopGray(popsize,bits)len=sum(bits);initpop=zeros(popsize,len);%The whole zero encoding individualfor i=2:popsize-1pop=round(rand(1,len));pop=mod(([0 pop]+[pop 0]),2);%i=1时,b(1)=a(1);i>1时,b(i)=mod(a(i-1)+a(i),2)%其中原二进制串:a(1)a(2)...a(n),Gray串:b(1)b(2)...b(n)initpop(i,:)=pop(1:end-1);endinitpop(popsize,:)=ones(1,len);%The whole one encoding individual%解码function [fval] = b2f(bval,bounds,bits)% fval - 表征各变量的十进制数% bval - 表征各变量的二进制编码串% bounds - 各变量的取值范围% bits - 各变量的二进制编码长度scale=(bounds(:,2)-bounds(:,1))'./(2.^bits-1); %The range of the variablesnumV=size(bounds,1);cs=[0 cumsum(bits)];for i=1:numVa=bval((cs(i)+1):cs(i+1));fval(i)=sum(2.^(size(a,2)-1:-1:0).*a)*scale(i)+bounds(i,1);end%选择操作%采用基于轮盘赌法的非线性排名选择%各个体成员按适应值从大到小分配选择概率：%P(i)=(q/1-(1-q)^n)*(1-q)^i, 其中P(0)>P(1)>...>P(n), sum(P(i))=1function [selectpop]=NonlinearRankSelect(FUN,pop,bounds,bits)global m nselectpop=zeros(m,n);fit=zeros(m,1);for i=1:mfit(i)=feval(FUN(1,:),(b2f(pop(i,:),bounds,bits)));%以函数值为适应值做排名依据endselectprob=fit/sum(fit);%计算各个体相对适应度(0,1)q=max(selectprob);%选择最优的概率x=zeros(m,2);x(:,1)=[m:-1:1]';[y x(:,2)]=sort(selectprob);r=q/(1-(1-q)^m);%标准分布基值newfit(x(:,2))=r*(1-q).^(x(:,1)-1);%生成选择概率newfit=cumsum(newfit);%计算各选择概率之和rNums=sort(rand(m,1));fitIn=1;newIn=1;while newIn<=mif rNums(newIn)<newfit(fitIn)selectpop(newIn,:)=pop(fitIn,:);newIn=newIn+1;elsefitIn=fitIn+1;endend%交叉操作function [NewPop]=CrossOver(OldPop,pCross,opts)%OldPop为父代种群，pcross为交叉概率global m n NewPopr=rand(1,m);y1=find(r<pCross);y2=find(r>=pCross);len=length(y1);if len>2&mod(len,2)==1%如果用来进行交叉的染色体的条数为奇数，将其调整为偶数y2(length(y2)+1)=y1(len);y1(len)=[];endif length(y1)>=2for i=0:2:length(y1)-2if opts==0[NewPop(y1(i+1),:),NewPop(y1(i+2),:)]=EqualCrossOver(OldPop(y1(i+1),:),OldPop(y1(i+2),:));else[NewPop(y1(i+1),:),NewPop(y1(i+2),:)]=MultiPointCross(OldPop(y1(i+1),:),OldPop(y1(i+2),:));endendendNewPop(y2,:)=OldPop(y2,:);%采用均匀交叉function [children1,children2]=EqualCrossOver(parent1,parent2)global n children1 children2hidecode=round(rand(1,n));%随机生成掩码crossposition=find(hidecode==1);holdposition=find(hidecode==0);children1(crossposition)=parent1(crossposition);%掩码为1，父1为子1提供基因children1(holdposition)=parent2(holdposition);%掩码为0，父2为子1提供基因children2(crossposition)=parent2(crossposition);%掩码为1，父2为子2提供基因children2(holdposition)=parent1(holdposition);%掩码为0，父1为子2提供基因%采用多点交叉，交叉点数由变量数决定function [Children1,Children2]=MultiPointCross(Parent1,Parent2)global n Children1 Children2 VarNumChildren1=Parent1;Children2=Parent2;Points=sort(unidrnd(n,1,2*VarNum));for i=1:VarNumChildren1(Points(2*i-1):Points(2*i))=Parent2(Points(2*i-1):Points(2*i));Children2(Points(2*i-1):Points(2*i))=Parent1(Points(2*i-1):Points(2*i));end%变异操作function [NewPop]=Mutation(OldPop,pMutation,VarNum)global m n NewPopr=rand(1,m);position=find(r<=pMutation);len=length(position);if len>=1for i=1:lenk=unidrnd(n,1,VarNum); %设置变异点数，一般设置1点for j=1:length(k)if OldPop(position(i),k(j))==1OldPop(position(i),k(j))=0;elseOldPop(position(i),k(j))=1;endendendendNewPop=OldPop;%倒位操作function [NewPop]=Inversion(OldPop,pInversion)global m n NewPopNewPop=OldPop;r=rand(1,m);PopIn=find(r<=pInversion);len=length(PopIn);if len>=1for i=1:lend=sort(unidrnd(n,1,2));if d(1)~=1&d(2)~=nNewPop(PopIn(i),1:d(1)-1)=OldPop(PopIn(i),1:d(1)-1);NewPop(PopIn(i),d(1):d(2))=OldPop(PopIn(i),d(2):-1:d(1));NewPop(PopIn(i),d(2)+1:n)=OldPop(PopIn(i),d(2)+1:n);endend end。

遗传算法的matlab代码摘要：遗传算法是一种基于自然选择和遗传学原理的优化算法。

本文将介绍如何在MATLAB中实现遗传算法，并使用一个简单的例子来说明其应用。

1. 引言遗传算法（Genetic Algorithm, GA）是一种基于自然选择和遗传学原理的优化算法。

它模拟了自然界中生物的进化过程，通过不断地搜索、适应和优化，最终找到问题的最优解。

MATLAB是一种广泛使用的编程语言和软件环境，它提供了丰富的数学计算和可视化工具，使得在MATLAB中实现遗传算法变得相对简单。

2. 遗传算法的基本原理遗传算法主要包括以下几个步骤：1) 初始化：随机生成一组候选解（称为种qun）。

2) 选择：从种qun中按照一定的概率选择出优秀的个体进行繁殖。

3) 交叉：从选择出的个体中随机选择两个进行交叉操作，生成新的后代。

4) 变异：对后代进行变异操作，以增大种qun的多样性。

5) 迭代：重复进行选择、交叉和变异操作，直到达到预设的迭代次数或满足其他终止条件。

3. MATLAB实现遗传算法在MATLAB中实现遗传算法，可以使用自带的gaoptimset和ga函数。

下面是一个简单的例子，说明如何在MATLAB中实现遗传算法。

```matlab```% 定义目标函数fitnessFunction = @(x) x(1)^2 + x(2)^2; % 最小化目标函数```% 定义变量范围lb = [-10, -10]; % 变量下界ub = [10, 10]; % 变量上界```% 初始化参数populationSize = 100; % 种qun大小maxIterations = 500; % 最da迭代次数crossoverRate = 0.8; % 交叉概率mutationRate = 0.1; % 变异概率elitismRate = 0.1; % 精英策略概率```% 初始化种qunpopulation = ga(fitnessFunction, lb, ub, populationSize, maxIterations, elitismRate, crossoverRate, mutationRate);```% 可视化结果figure;plot(population.Fitness,'r');hold on;plot(population.Gen,'g');xlabel('Generation');ylabel('Fitness');title('遗传算法进化过程');```4. 结果分析通过上述代码，我们可以在MATLAB中实现一个简单的遗传算法。

function youhuafunD=code;N=50; % Tunablemaxgen=50; % Tunablecrossrate=0.5; %Tunablemuterate=0.08; %Tunablegeneration=1;num = length(D);fatherrand=randint(num,N,3);score = zeros(maxgen,N);while generation<=maxgenind=randperm(N-2)+2; % 随机配对交叉A=fatherrand(:,ind(1:(N-2)/2));B=fatherrand(:,ind((N-2)/2+1:end));% 多点交叉rnd=rand(num,(N-2)/2);ind=rnd tmp=A(ind);A(ind)=B(ind);B(ind)=tmp;% % 两点交叉% for kk=1:(N-2)/2% rndtmp=randint(1,1,num)+1;% tmp=A(1:rndtmp,kk);% A(1:rndtmp,kk)=B(1:rndtmp,kk);% B(1:rndtmp,kk)=tmp;% endfatherrand=[fatherrand(:,1:2),A,B];% 变异rnd=rand(num,N);ind=rnd [m,n]=size(ind);tmp=randint(m,n,2)+1;tmp(:,1:2)=0;fatherrand=tmp+fatherrand;fatherrand=mod(fatherrand,3);% fatherrand(ind)=tmp;%评价、选择scoreN=scorefun(fatherrand,D);% 求得N个个体的评价函数score(generation,:)=scoreN;[scoreSort,scoreind]=sort(scoreN);sumscore=cumsum(scoreSort);sumscore=sumscore./sumscore(end);childind(1:2)=scoreind(end-1:end);for k=3:Ntmprnd=rand;tmpind=tmprnd difind=[0,diff(tmpind)];if ~any(difind)difind(1)=1;endchildind(k)=scoreind(logical(difind));endfatherrand=fatherrand(:,childind);generation=generation+1;end% scoremaxV=max(score,[],2);minV=11*300-maxV;plot(minV,'*');title('各代的目标函数值');F4=D(:,4);FF4=F4-fatherrand(:,1);FF4=max(FF4,1);D(:,5)=FF4;save DData Dfunction D=codeload youhua.mat% properties F2 and F3F1=A(:,1);F2=A(:,2);F3=A(:,3);if (max(F2)>1450)||(min(F2)<=900)error('DATA property F2 exceed it''s range (900,1450]') end% get group property F1 of data, according to F2 value F4=zeros(size(F1));for ite=11:-1:1index=find(F2<=900+ite*50);F4(index)=ite;endD=[F1,F2,F3,F4];function ScoreN=scorefun(fatherrand,D)F3=D(:,3);F4=D(:,4);N=size(fatherrand,2);FF4=F4*ones(1,N);FF4rnd=FF4-fatherrand;FF4rnd=max(FF4rnd,1);ScoreN=ones(1,N)*300*11;% 这里有待优化for k=1:NFF4k=FF4rnd(:,k);for ite=1:11F0index=find(FF4k==ite);if ~isempty(F0index)tmpMat=F3(F0index);tmpSco=sum(tmpMat);ScoreBin(ite)=mod(tmpSco,300);endendScorek(k)=sum(ScoreBin);endScoreN=ScoreN-Scorek;遗传算法实例:% 下面举例说明遗传算法%% 求下列函数的最大值%% f(x)=10*sin(5x)+7*cos(4x) x∈[0,10] %% 将x 的值用一个10位的二值形式表示为二值问题，一个10位的二值数提供的分辨率是每为(10-0)/(2^10-1)≈0.01 。

遗传算法matlab代码function youhuafunD=code;N=50; % Tunablemaxgen=50; % Tunablecrossrate=0.5; %Tunablemuterate=0.08; %Tunable generation=1;num = length(D);fatherrand=randint(num,N,3);score = zeros(maxgen,N);while generation<=maxgenind=randperm(N-2)+2; % 随机配对交叉A=fatherrand(:,ind(1:(N-2)/2));B=fatherrand(:,ind((N-2)/2+1:end));% 多点交叉rnd=rand(num,(N-2)/2);ind=rnd tmp=A(ind);A(ind)=B(ind);B(ind)=tmp;% % 两点交叉% for kk=1:(N-2)/2% rndtmp=randint(1,1,num)+1;% tmp=A(1:rndtmp,kk);% A(1:rndtmp,kk)=B(1:rndtmp,kk);% B(1:rndtmp,kk)=tmp;% endfatherrand=[fatherrand(:,1:2),A,B];% 变异rnd=rand(num,N);ind=rnd [m,n]=size(ind);tmp=randint(m,n,2)+1;tmp(:,1:2)=0;fatherrand=tmp+fatherrand;fatherrand=mod(fatherrand,3);% fatherrand(ind)=tmp;%评价、选择scoreN=scorefun(fatherrand,D);% 求得N个个体的评价函数score(generation,:)=scoreN;[scoreSort,scoreind]=sort(scoreN);sumscore=cumsum(scoreSort);sumscore=sumscore./sumscore(end);childind(1:2)=scoreind(end-1:end);for k=3:N tmprnd=rand;tmpind=tmprnd difind=[0,diff(tmpind)];if ~any(difind)difind(1)=1;endchildind(k)=scoreind(logical(difind));endfatherrand=fatherrand(:,childind);generation=generation+1;end% scoremaxV=max(score,[],2);minV=11*300-maxV;plot(minV,'*');title('各代的目标函数值');F4=D(:,4);FF4=F4-fatherrand(:,1);FF4=max(FF4,1);D(:,5)=FF4;save DData Dfunction D=codeload youhua.mat% properties F2 and F3F1=A(:,1);F2=A(:,2);F3=A(:,3);if (max(F2)>1450)||(min(F2)<=900)error('DATA property F2 exceed it''s range (900,1450]') end % get group property F1 of data, according to F2 value F4=zeros(size(F1));for ite=11:-1:1index=find(F2<=900+ite*50);F4(index)=ite;endD=[F1,F2,F3,F4];function ScoreN=scorefun(fatherrand,D)F3=D(:,3);F4=D(:,4);N=size(fatherrand,2);FF4=F4*ones(1,N);FF4rnd=FF4-fatherrand;FF4rnd=max(FF4rnd,1);ScoreN=ones(1,N)*300*11;% 这里有待优化for k=1:NFF4k=FF4rnd(:,k);for ite=1:11F0index=find(FF4k==ite);if ~isempty(F0index)tmpMat=F3(F0index);tmpSco=sum(tmpMat);ScoreBin(ite)=mod(tmpSco,300);endendScorek(k)=sum(ScoreBin);endScoreN=ScoreN-Scorek;遗传算法实例:% 下面举例说明遗传算法%% 求下列函数的最大值%% f(x)=10*sin(5x)+7*cos(4x) x∈[0,10] %% 将x 的值用一个10位的二值形式表示为二值问题，一个10位的二值数提供的分辨率是每为(10-0)/(2^10-1)≈0.01 。

遗传算法matlab代码以下是一个简单的遗传算法的MATLAB 代码示例：matlab复制代码% 遗传算法参数设置pop_size = 50; % 种群大小num_vars = 10; % 变量数目num_generations = 100; % 进化的代数mutation_rate = 0.01; % 变异率crossover_rate = 0.8; % 交叉率% 初始化种群population = rand(pop_size, num_vars);% 开始进化for i = 1:num_generations% 计算适应度fitness = evaluate_fitness(population);% 选择操作selected_population = selection(population, fitness);% 交叉操作offspring_population = crossover(selected_population,crossover_rate);% 变异操作mutated_population = mutation(offspring_population,mutation_rate);% 生成新种群population = [selected_population; mutated_population];end% 选择最优解best_solution = population(find(fitness == max(fitness)), :);% 适应度函数function f = evaluate_fitness(population)f = zeros(size(population));for i = 1:size(population, 1)f(i) = sum(population(i, :));endend% 选择函数function selected_population = selection(population, fitness)% 轮盘赌选择total_fitness = sum(fitness);probabilities = fitness / total_fitness;selected_indices = zeros(pop_size, 1);for i = 1:pop_sizer = rand();cumulative_probabilities = cumsum(probabilities);for j = 1:pop_sizeif r <= cumulative_probabilities(j)selected_indices(i) = j;break;endendendselected_population = population(selected_indices, :);end% 交叉函数function offspring_population = crossover(parental_population, crossover_rate)offspring_population = zeros(size(parental_population));num_crossovers = ceil(size(parental_population, 1) *crossover_rate);crossover_indices = randperm(size(parental_population, 1),num_crossovers);以下是另一个一个简单的遗传算法的MATLAB 代码示例：matlab复制代码% 初始化种群population = rand(nPopulation, nGenes);% 进化迭代for iGeneration = 1:nGeneration% 计算适应度fitness = evaluateFitness(population);% 选择父代parentIdx = selection(fitness);parent = population(parentIdx, :);% 交叉产生子代child = crossover(parent);% 变异子代child = mutation(child);% 更新种群population = [parent; child];end% 评估最优解bestFitness = -Inf;for i = 1:nPopulationf = evaluateFitness(population(i, :));if f > bestFitnessbestFitness = f;bestIndividual = population(i, :);endend% 可视化结果plotFitness(fitness);其中，nPopulation和nGenes分别是种群大小和基因数；nGeneration是迭代次数；evaluateFitness函数用于计算个体的适应度；selection函数用于选择父代；crossover函数用于交叉产生子代；mutation函数用于变异子代。

Abstract：The PID control algorithm has simple structure and strong robustness. It plays a leading role in industrial control. How to set the control parameters of the PID controller is a major problem in the practical application of the PID controller. In this paper，the basic genetic algorithm is used to tune the parameters of the PID controller. The simulation of MATLAB shows that the control effect of the basic genetic algorithm is better than that of the traditional method.
2.2 适配函数的确定
为了获取满意的过渡过程动态特性，采用误差绝对值时 间积分性能指标作为系统控制参数选择的最小目标函数；为 了防止控制能量过大，在目标函数中加入控制输入的平方项， 同时为了避免超调，设置惩罚函数功能，即如果产生超调， 将超调量作为最优指标其中的一项。系统对以上控制目标的 实现具体描述为：
1 PID 控制简介
PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值 r（t）与
实际输出值 y（t）构成控制偏差 e（t）：
e（t）=r（t）-y（t）
（1）
将偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性
组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称 PID 控制器。

附页：一．遗传算法源程序：clc;clear;population;%评价目标函数值for uim=1:popsizevector=population(uim,:);obj(uim)=hanshu(hromlength,vector,phen); end%obj%min(obj)clear uim;objmin=min(obj);for sequ=1:popsizeif obj(sequ)==objminopti=population(sequ,:);endendclear sequ;fmax=22000;%==for gen=1:maxgen%选择操作%将求最小值的函数转化为适应度函数for indivi=1:popsizeobj1(indivi)=1/obj(indivi);endclear indivi;%适应度函数累加总合total=0;for indivi=1:popsizetotal=total+obj1(indivi);endclear indivi;%每条染色体被选中的几率for indivi=1:popsizefitness1(indivi)=obj1(indivi)/total;endclear indivi;%各条染色体被选中的范围for indivi=1:popsizefitness(indivi)=0;for j=1:indivifitness(indivi)=fitness(indivi)+fitness1(j);endendclear j;fitness;%选择适应度高的个体for ranseti=1:popsizeran=rand;while (ran>1||ran<0)ran=rand;endran;if ran<=fitness(1)newpopulation(ranseti,:)=population(1,:);elsefor fet=2:popsizeif (ran>fitness(fet-1))&&(ran<=fitness(fet))newpopulation(ranseti,:)=population(fet,:);endendendendclear ran;newpopulation;%交叉for int=1:2:popsize-1popmoth=newpopulation(int,:);popfath=newpopulation(int+1,:);popcross(int,:)=popmoth;popcross(int+1,:)=popfath;randnum=rand;if(randnum< P>cpoint1=round(rand*hromlength);cpoint2=round(rand*hromlength);while (cpoint2==cpoint1)cpoint2=round(rand*hromlength);endif cpoint1>cpoint2tem=cpoint1;cpoint1=cpoint2;cpoint2=tem;endcpoint1;cpoint2;for term=cpoint1+1:cpoint2for ss=1:hromlengthif popcross(int,ss)==popfath(term)tem1=popcross(int,ss);popcross(int,ss)=popcross(int,term);popcross(int,term)=tem1;endendclear tem1;endfor term=cpoint1+1:cpoint2for ss=1:hromlengthif popcross(int+1,ss)==popmoth(term)tem1=popcross(int+1,ss);popcross(int+1,ss)=popcross(int+1,term);popcross(int+1,term)=tem1;endendclear tem1;endendclear term;endclear randnum;popcross;%变异操作newpop=popcross;for int=1:popsizerandnum=rand;if randnumcpoint12=round(rand*hromlength);cpoint22=round(rand*hromlength);if (cpoint12==0)cpoint12=1;endif (cpoint22==0)cpoint22=1;endwhile (cpoint22==cpoint12)cpoint22=round(rand*hromlength);if cpoint22==0;cpoint22=1;endendtemp=newpop(int,cpoint12);newpop(int,cpoint12)=newpop(int,cpoint22);newpop(int,cpoint22)=temp;endendnewpop;clear cpoint12;clear cpoint22;clear randnum;clear int;for ium=1:popsizevector1=newpop(ium,:);obj1(ium)=hanshu(hromlength,vector1,phen);endclear ium;obj1max=max(obj1);for ar=1:popsizeif obj1(ar)==obj1maxnewpop(ar,:)=opti;endend%遗传操作结束二．粒子群算法源程序：%------初始格式化-------------------------------------------------- clear all;clc;format long;%------给定初始化条件---------------------------------------------- c1=1.4962;%学习因子1c2=1.4962;%学习因子2w=0.7298;%惯性权重MaxDT=100;%最大迭代次数D=2;%搜索空间维数（未知数个数）N=40;%初始化群体个体数目eps=10^(-6);%设置精度(在已知最小值时候用)%------初始化种群的个体(可以在这里限定位置和速度的范围)------------ for i=1:Nfor j=1:Dx(i,j)=randn;%随机初始化位置v(i,j)=randn;%随机初始化速度endend%------先计算各个粒子的适应度，并初始化Pi和Pg---------------------- for i=1:Np(i)=fitness(x(i,:),D);y(i,:)=x(i,:);endpg=x(1,:);%Pg为全局最优for i=2:Nif fitness(x(i,:),D)<FITNESS(pg,D)pg=x(i,:);endend%------进入主要循环，按照公式依次迭代，直到满足精度要求------------ for t=1:MaxDTtfor i=1:Nv(i,:)=w*v(i,:)+c1*rand*(y(i,:)-x(i,:))+c2*rand*(pg-x(i,:)); x(i,:)=x(i,:)+v(i,:);if fitness(x(i,:),D)<p(i)p(i)=fitness(x(i,:),D);y(i,:)=x(i,:);endif p(i)<FITNESS(pg,D)pg=y(i,:);endendPbest(t)=fitness(pg,D);end%------进入主要循环，按照公式依次迭代，直到满足精度要求------------ for t=1:MaxDTfor i=1:Nv(i,:)=w*v(i,:)+c1*rand*(y(i,:)-x(i,:))+c2*rand*(pg-x(i,:));x(i,:)=x(i,:)+v(i,:);if fitness(x(i,:),D)<p(i)p(i)=fitness(x(i,:),D);y(i,:)=x(i,:);endif p(i)<FITNESS(pg,D)pg=y(i,:);endendPbest(t)=fitness(pg,D);end%------最后给出计算结果disp('*************************************************************') disp('函数的全局最优位置为：')Solution=pg'disp('最后得到的优化极值为：')Result=fitness(pg,D)disp('*************************************************************') [X,Y]=meshgrid(-500:2:500);Z=X.*sin(sqrt(X))+Y.*(sin(sqrt(Y)));hold oncontour(X,Y,Z)plot(x(:,1),x(:,2),'*');hold off标准文档实用文案。

基于遗传算法的PID整定原理及matlab仿真程序主程序：chap5_2.m%ga（通用算法）程序优化EPID参数；closeall；globalrinyouttimef尺寸=30；codel=3；minx(1)=zeros(1);maxx(1)=20*ones(1);minx(2)=zeros(1);maxx(2)=1.0*ones(1);minx( 3)=zeros(1);maxx(3)=1.0*ones(1);kpid（：，1）=minx（1）+（maxx（1）-minx（1））*rand（大小，1）；kpid（：，2）=minx（2）+（maxx（2）-minx（2））*rand（大小，1）；kpid（：，3）=minx（3）+（maxx（3）-minx（3））*rand（大小，1）；g=100;bsj=0;%***************开始转动***************分叉g=1:1:gtime(kg)=kg;%******步骤1:evaluatebestj****fori=1:1:sizekpidi=kpid（i，：）；[kpidi,bsj]=chap5_2f(kpidi,bsj);bsji（i）=bsj；终止[oderji,indexji]=sort(bsji);bestj(kg)=oderji(1);bj=bestj(kg);ji=bsji+1e-10；%避免变零fi=1./ji;%cm=最大值（ji）；%fi=cm-ji;[oderfi，indexfi]=排序（fi）；%排列Fismalltobiggerbestfi=oderfi（大小）；%letbestfi=最大值（fi）bests=kpid(indexfi(size),:);%letbests=e(m),mistheindexfibelongtomax(fi)kgbjbests%******step2:selectandreproductoperation******fi_sum=sum(fi);fi_u大小=（奥德菲/fi_u总和）*大小；fi_s=floor(fi_size);%selectingbiggerfivaluer=size-sum(fi_s);rest=fi_u-size-fi_u-s；[restvalue,index]=sort(rest);fori=尺寸：-1:尺寸-r+1fi_s(index(i))=fi_s(index(i))+1;%addingresttoequalsizeendk=1；fori=size:-1:1%selectthesizethandreproducefirstlyforj=1:1:fi_s(i)tempe（k，：）=kpid（indexfi（i），：）；%选择和生产k=k+1;%kisusedtoreproduceendend%************步骤3：交叉操作************pc=0.90;fori=1:2：（1号）温度=rand；ifpc>temp%crossoverconditionalfa=rand;tempe（i，：）=alfa*kpid（i+1，：）+（1-alfa）*kpid（i，：）；tempe（i+1，：）=alfa*kpid（i，：）+（1-alfa）*kpid（i+1，：）；恩登tempe(size,:)=bests;kpid=tempe;%************步骤4：突变操作***************pm=0.10-[1:1:大小]**（0.01）/size；%biggerfi，smallerpmpm_uurand=rand（大小，代码）；平均值=（最大值+最小值）/2；dif=（maxx-minx）；fori=1:1:sizeforj=1:1:codelifpm(i)>pm_rand(i,j)%mutationconditiontempe(i,j)=mean(j)+dif(j)*(rand-0.5);endendend%最佳个人温度（尺寸：）=最佳；kpid=tempe；endbestfibestsbest_j=bestj(g)figure(1);情节（时间，bestj）；xlabel(’times’);ylabel(’bestj’);figure(2);绘图（timef，rin，'r'，timef，yout，'b'）；xlabel（“时间”）；伊拉贝尔（“林，你”）；子程序：chap5_2f.m函数[kpidi，bsj]=pid_gaf（kpidi，bsj）globalrinyoutTimets=0.001;sys=tf（400[1,50,0]）；dsys=c2d（sys，ts，'z'）；[num,den]=tfdata(dsys,’v’);rin=1.0；u_1=0.0;u_2=0.0;y_1=0.0；y_2=0.0；x=[0,0,0]'；b=0；error_1=0;tu=1;s=0;p=100;fork=1:1:ptimef(k)=k*ts;r(k)=rin;u（k）=kpidi（1）*x（1）+kpidi（2）*x（2）+kpidi（3）*x（3）；ifu(k)>=10u(k)=10;end如果u（k）<=-10u（k）=-10；终止yout(k)=-den(2)*y_1-den(3)*y_2+num(2)*u_1+num(3)*u_2;error(k)=r(k)-yout(k);%------------PID参数的返回----------------u_2=u_1；u_1=u（k）；y_2=y_1；y_1=yout（k）；x(1)=error(k);%calculatingpx(2)=(error(k)-error_1)/ts;%calculatingdx(3)=x(3)+error(k)*ts;%calculatingi错误2=错误1；误差1=误差（k）；如果s==0ifyout(k)>0.95&yout(k)<1.05tu=timef(k);s=1;endendendfori=1:1:pji(i)=0.999*abs(error(i))+0.01*u(i)^2*0.1;b=b+ji(i);ifi>1 erry（i）=yout（i）-yout（i-1）；费里（i）<0b=b+100*abs(erry(i));endendendbsj=b+0.2*tu*10；。