[发明专利]基于差分进化算法的控制器结构和参数的优化设计方法

说明书

本发明公开一种基于差分进化算法的控制器结构和参数的优化设计方法，步骤一、规定控制器环节之间的连接方向，并将控制器结构表示为二进制的一维向量；步骤二、根据控制器的被控对象在运行中的约束条件，设置对控制器输出量的约束；步骤三、对控制器结构和控制器参数的优化求解采用双层优化策略，外层利用二进制几何差分进化算法对控制器结构的一维向量进行优化求解，内层利用JADE算法对控制器参数的一维向量进行优化求解，本发明方法在给定控制器组成环节和设计指标的前提下，可以针对给定被控对象，确定各个环节之间的互连关系以及各个环节的参数，得到满足期望性能指标的控制器的结构和参数。

技术领域

本发明属于智能优化控制技术领域，具体涉及一种基于差分进化算法的控制器结构和参数的优化设计方法。

背景技术

随着自动控制技术在工业生产、导航系统、武器装备等领域的广泛应用，控制器的设计方法得到了快速发展。其中的PID控制器因其结构简单，原理易于理解，在各领域都得到了广泛的应用。但是其参数整定需要依靠专业人员的知识和在工程实践中积累的经验来完成，这个过程会耗费大量的时间和人力，从而加大了PID控制器的设计难度。常用的参数整定方法有Ziegler-Nichols整定规则、Astrom和Hagglund提出的PID参数整定规则、继电反馈整定方法、Cohen-Coon 整定方法等。

随着自动化水平的不断提高，对控制任务的精度要求也愈加严格，基于时域的状态空间方程的控制方法得到了迅速发展。主要包括智能控制方法和其他控制方法如：最优控制、自抗扰控制、自适应控制、鲁棒控制、动态规划、变结构控制、预测控制等。目前，比较常用的控制策略是将两种或多种控制方法结合，根据其控制特点实现特定作用，各展所长，提高控制器的性能。近些年来，还出现了大量使用智能优化算法来优化控制器参数的设计方法。文献(Yousfi Laatra,Bouchemha Amel,Bechouat Mohcen,et al..Vector controlof induction machine using PI controller optimized by genetic algorithms[C].16th International Power Electronics and Motion Control Conference andExposition(PEMC)会议地点: Antalya,TURKEY,2014.)运用GA进行感应电机矢量PI控制参数设计。西安交通大学的Cao Jun-Yi等人在文献(Cao Jun-Yi,Cao Bing-Gang.Design offractional order controller based on particle swarm optimization[J].INTERNATIONAL JOURNAL OF CONTROL AUTOMATION AND SYSTEMS,2006,4(6):775-781.)中提出了一种基于粒子群优化算法(PSO)的分数阶PID(FOPID)控制器的智能优化方法，通过PSO 来设计分数阶PID控制器的参数，优化目标是ITAE和控制输入的加权组合。Ali ES等人在文献(Ali ES,Abd-Elazim SM.BFOA based design of PID controller for twoarea Load Frequency Control with nonlinearities[J].INTERNATIONAL JOURNAL OFELECTRICAL POWER&ENERGY SYSTEMS,2013,51:224-231.)中运用细菌觅食优化算法(BFOA)来进行电力系统的非线性负载PID控制器参数优化，通过和运用 ZN整定的PID控制器和用GA优化从参数的PID控制器性能比较，验证了该方法的有效性。

然而，这些控制器设计方法虽然通过优化算法，可以实现控制器参数的设计，但是控制器的结构却是固定的，这极大地限制了控制器性能的进一步提升。因此，如何突破控制器结构固化对控制性能的限制，实现控制器的结构和参数的同步优化设计，获得控制性能更优越的控制器具有重要的研究意义。

发明内容