[发明专利]一种基于差分进化算法的电液伺服系统PID参数优化方法

说明书

本发明公开一种基于差分进化算法的电液伺服系统PID参数优化方法，以待寻优的比例系数K_P、积分系数K_I和微分系数K_D三个参数为分量构成一个三维行向量，进行浮点数编码，组成差分进化算法的个体，以系统性能指标的倒数作为差分进化算法的适应度函数，采用最大迭代次数为终止条件；当运行到指定的迭代次数之后就停止运行，并将当前群体中的最佳个体作为PID参数的最优解。

技术领域

本发明涉及智能优化PID控制器领域，特别涉及一种基于差分进化算法的电液伺服系统PID参数优化方法。

背景技术

电液伺服系统是由电信号处理系统和液压传动系统共同构成的实现系统信号输入、检测、校正和输出的反馈控制系统。电液伺服系统具有体积小、反应速度快、抗负载刚度强、出力大、操作简单等一系列优点，可以快速的跟随输入信号，因此广泛适用于大功率的自动控制系统中。

电液伺服控制是一种新兴的科学技术，虽然起步较晚，在上世纪50年代才开始发展，但其迅速演变为一门独立的学科，在控制领域得到了国际国内许多专家学者的普遍关注。近些年，由于电液伺服控制系统在民用工业领域中的应用不断增多，随之对系统控制性能的要求也变得越来越苛刻。在军工方面，飞机和导弹所能具有的良好的灵活性和稳定性正是由于采用了电液伺服控制系统；在民用工业领域中，比如轮船的抗摇摆系统和舵机的操作系统，材料试验机、大功率的材料试验加载系统也都大量采用了电液伺服控制技术。此外，机器人、汽车、火车等常用交通工具中应用电液伺服系统的更是屡见不鲜。

在电液伺服控制系统中，PID控制策略应用十分广泛，PID控制器的三个参数决定了其控制效果，因此，比例系数K_P、积分系数K_I、微分系数K_D三个参数的调节、优化及整定会直接影响电液伺服系统的控制精度。常规PID参数整定方法有经验法(试凑法)、Ziegler-Nichols方法和理论设计法。经验法和Ziegler-Nichols方法简单，易于掌握，但控制器参数整定没有考虑系统的任何要求，只能提供给系统一个稳定的状态，一个大致的工作区间，所以只能是一种比较粗糙的参数设置或初步估计，无法使系统运行最佳。理论设计法基于被控对象的数学模型，如传递函数、频率特性等，通过计算直接求得此状态下的参数，控制效果比工程法好，但如果系统比较复杂，理论计算就会变得相当复杂，使用不方便，而且只保证了满足系统的频域某一特性的要求，同样无法使系统运行最佳。实际上，PID参数整定是一个连续空间多变量约束优化问题。差分进化算法是一种新的解决优化问题的智能优化算法，并且在绝大多数情况下比粒子群算法、模拟退火算法以及遗传算法具有更强的寻优能力和更快的寻优速度。因此将差分进化算法用于电液伺服系统的PID参数优化问题当中，是一个值得研究的内容。

发明内容

为了克服电液伺服控制系统中常规PID参数整定技术的不足，提供一种基于差分进化算法的参数优化方法，利用其全局搜索能力获得PID控制器的最优整定参数。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

基于差分进化算法的电液伺服系统PID参数优化方法，包括以下步骤：

步骤1、建立电液伺服系统数学模型，确定伺服阀、液压缸等配件的尺寸、性能等参数；

步骤2、确定PID控制器比例系数K_P、积分系数K_I和微分系数K_D的大致范围；

步骤3、参数设置，包括群体规模M，变异因子F，交叉因子CR，最大迭代次数G等；

步骤4、种群初始化，在3维空间中随机生成位于待整定参数可行范围内的M个个体，每个个体对应一组可行的PID控制器参数，将每一组可行的PID参数代入电液伺服系统仿真运行，PID控制器的输出为：