遗传算法在PID控制器参数优化中的应用[范文]

1.绪论

1.1研究背景及意义

PID控制器是一种工业工程回路控制器，在现今控制领域，PID控制以稳定，简单，应用领域多的特性。而且算法，控制结构简答，建模需求低，控制对象不需要很高的精确度。的特性在控制领域有着统治地位，根据相关控制系统领域的调查研究，PID控制器在控制市场占据84%，优化PID占6。8%。而且PID控制器开始于1910年，在工业上，已经积累了大量的经验。而且控制系统工程师也对PID控制器参数的调节，设定有着丰富的经验基础。而且我国也在工业控制，使PID控制器上不断发展。在国外，PID控制器有着高达90%的控制系统市场，因此可以看出PID型的普遍。但是随着工业基础的发展，控制理论和控制器工艺的越来越先进。相对的过程控制和回路控制也提出了新的思路和方法。因为PID控制有着大量优点，PID控制的研究就在参数基础上研究。大多数PID控制的参数都是由实验或者人工调节进行控制。但是随着工业工程的变大，过程复杂度越来越高，被控对象也变得难以建模等等。这种PID控制参数调节已经不可取了。这时候就需要新的控制算法，来提高PID控制能力，而这种算法所需要做的是将PID控制参数进行优化。因此PID控制算法的研究方向为两个：PID参数的自整定，PID参数的优化。

经典PID控制原理图

近年来，遗传算法被许多学者研究。遗传算法是基于生物有机体的遗传过程，如自然选择和繁殖。此外遗传算法自适应方法，可以用于解决搜索和优化问题。遗传算法并不能保证获得解决方案，但他们提供适当的解决的方法而找到困难的优化问题。然而，遗传算法是具有优势的，它不需要任何渐变信息和固有的并行搜索的设计空间，从而使这种自适应优化技术健壮。

遗传算法中种群的每个个体，都代表一个给定的问题可能的解决方案。每一个个体根据解决方案问题的限制分配一个适当的数据。从种群中选择的个体重组产生后代（新的解决方案），一个使用交叉和变异机制组成的下一代。遗传算法一直应用到符合给定的进化停止标准。

并且随着计算技术的发展，计算越来越强。所以遗传算法在PID控制器上的发展具有了重大成果，而且PID控制在遗传算法上成为了重要应用。

2．PID控制器

2．1PID控制方法

一般的单个参数控制，称为单独的比例控制，也叫有差控制。单个参数的控制主要在于，输出变化和输入控制器的偏差成比例关系，偏差越大输出越大。在实际的工业控制应用中，比例控制的控制强度跟比例控制系数有着强烈的关系。系数太小，余差就大，就没有控制效果。系数太大，系统就容易震荡，稳定性太差。所以单独的参数控制基本不可取。只能应用在控制对象简单，工程小，系统负荷小，复杂度小。因此控制系统需要多参数控制。

帕累托的解空间

多参数联合控制一般有，比例积分控制，比例微分控制，比例积分微分控制，下面将介绍这些联合控制。

1) 比例积分控制（PI）

积分控制器就是对偏差进行“积累”，只要控制器里面有偏差存在，输出就不断的积累，而且积分控制器偏差的输出与时间成正比，即越来越大或者越来越小，一直控制到偏差为零。积分控制的作用就是消除余差。所以，积分时间的长短代表了积分控制的强弱，时间长，控制作用小，时间短，控制强。

积分控制的控制作用偏后，不能克服干扰，很难是系统稳定。所以积分控制不能单独的使用，比例控制刚好的弥补了积分控制的缺点。比例积分控制就成了较为理想的过程控制。目前也是世界上应用最广的控制器。但是积分控制会使系统稳定性变差，所以有较大惯性的控制系统一般就不会使用这种比例积分控制系统。

2) 比例微分控制（PD）

被控对象不会立即受到控制器作用，因此就需要一个控制及时的且有着控制力的控制系统。而根据偏差的变化趋势做出控制，就变成了这种系统的需求。微分控制器就此被设计出。

微分控制器的控制作用只跟偏差的变化快慢有关与偏差的大小无关。因此，如果偏差为一个固定值，微分控制器就不会做出变化，不会进行控制，控制器的输出为零。与积分控制相同的是跟时间的关系，微分的时间越长，输出的时间就越长，作用越强，微分的时间越短，输出的时间就越短，控制力就越弱。当时间短到零时，微分控制就失去了作用，也因为这个特性，微分控制器变得难以驾驭。

超前调节，动作迅捷，是微分控制的优点，而且对有较大时间滞后的对象有着很强的作用。同时也导致了，微分控制对于恒定偏差输入变得无能为力了。比例控制却可以弥补这个缺点，比例控制与微分控制的结合对于容量滞后，时间滞后的对象有着很强的作用力，比例微分控制相比比例控制更快，偏差的作用幅度更小，时间更短。但是微分控制的参与使其对于控制对象的范围变小，作用的工业工程范围小。因此就需要一种既能作用强，反应快，又可以使之作用范围大的控制系统。而PID控制器就可以完美的解决这些问题。

3) 比例积分微分控制（PID）

比例积分微分控制集三者之长成为了最为理想的控制系统，反应迅速，消除余差，超前控制。

比例的作用是持续的控制力，以及起主要控制作用，微分抑制偏差阶跃，积分克服余差，如果控制参数选择恰当，就会得到理想的控制效果。

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