[发明专利]一种基于天牛须搜索的自调节PID控制方法

说明书

本发明基于BAS的自调节PID控制器方法，首先，建立三维天牛须随机单位方向，然后，计算天牛左右两须在参数空间中的坐标：得到控制器参数迭代公式；将控制器参数迭代公式写成连续形式；对参数α进行归零处理，最后得到自调节BAS‑PID的控制量输出，即为u(t)＝K^T(t)E(t)。本发明提供的基于BAS的自调节PID控制器方法实现PID控制器的在线优化自调节，为PID控制器的在线优化调节提供一种简单实用的方法。由于BAS算法原理简单，核心代码只有4行，便于常规嵌入式控制器的程序实现。通过对BAS算法的参数进行简单设置，即可利用实时数据解决控制器参数的在线优化问题。

技术领域

本发明属于PID控制领域，涉及一种自调节PID控制方法，特别涉及一种基于天牛须搜索的自调节PID控制方法。

背景技术

PID控制器结构简单，能够很好地适应控制系统中的各种不确定性和外部干扰，在工业过程中具有不可替代的作用。得益于现代控制理论的快速发展，PID控制器与非线性理论、系统辨识、优化方法等结合产生了一些新型的PID控制器分析和设计方法。近年来，智能化方法与PID控制的结合已成为了一个重要研究方向，包括神经网络,免疫算法，遗传算法、粒子群、蚁群(ACA)等。有人尝试采用深度学习模型来拟合PID控制器，但并没有说明深度学习用于PID控制器设计的必要性和优势。可以看到，智能化方法与PID控制器的结合，一方面能够提升PID控制器的鲁棒性和自适应性，在一些精细化控制系统上具有潜在应用价值；另一方面，智能化PID控制器在实际应用中，增加了控制系统的复杂性，对控制系统的实时计算能力提出了较高的要求。在常规的PLC控制系统和集散控制系统中，往往只能采用离线优化的方式进行应用，能够直接采用在线优化的智能PID控制器则少有报道。

现有的自调节BAS-PID控制系统，以工业过程中常见的二阶系统为对象，考虑单输入单输出系统G:其中u(t)为控制输入，d(t)为输入端的外部扰动，f为未知非线性动态，y(t)为系统输出。在单位输出反馈控制结构下，由PID控制器产生控制量：其中e(t)＝r(t)-y(t)为跟踪误差；K_p，K_i和K_d分别为PID控制器的比例、积分和微分参数。上式的向量形式为：u(t)＝K^TE(t)，其中控制系统受到不确定性影响时，往往使得系统的实际控制作用大幅跌落或增大，例如，电机系统实现正向阶跃调速时，偏差值瞬间增大，要求控制量能够快速增大；而当电源电压突然波动增大时，则要求控制量u(t)能够快速减小以抵消电源电压陡增产生的影响，如果控制量u(t)能够随偏差e(t)相应的快速增大或减小，则能增加系统调节的快速性。

发明内容

1、所要解决的技术问题：

本发明结合BAS算法，提出一类自调节BAS-PID控制器，解决系统的控制量随偏差快速调节的优化问题。

2、技术方案：

为了解决以上问题，本发明提供了一种基于天牛须搜索的自调节PID控制方法，包括以下步骤：步骤S01：建立三维天牛须随机单位方向D：其中rands(3,1)表示三维参数空间随机列向量；步骤S02：计算天牛左右两须在参数空间中的坐标：其中K^t(t)＝[K_d(t)；K_p(t)；K_i(t)]为t时刻PID控制器参数向量；步骤S03：在BAS核心公式，中，其中F(x)为待优化函数，x为待优化向量，为归一化随机向量，n为x的维度，x^t为t时刻天牛的位置，x_l和x_r为天牛须左右须的位置，通过左右须的函数差值确定搜索梯度方向，得到控制器参数迭代公式为：步骤S04：将控制器参数迭代公式写成连续形式，其中T为采样步长；步骤S05：对参数进行归零处理：其中J为系统性能评价指标，J*为指标阈值，为给定更新步长，S06：得到自调节控制量输出为即为u(t)＝K^T(t)E(t)。