基于萤火虫算法的pid参数优化方法研究

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1、基于萤火虫算法的PID参数优化方法研究陈路伟（中国人民解放军91388部队93分队，广东湛江524022）摘要：针对传统的PID参数整定方法越来越费时且难以满足控制要求的问题，提出一种采用萤火虫算法来优化PID控制参数的方法，设计了基于Simulink的参数优化模型，并进行仿真计算。结果表明，利用萤火虫算法优化PID控制器参数的阶跃响应响应时间短，基本没有超调，跟踪过程较平稳，仿真结果证明将萤火虫算法应用于PID参数优化是切实可行的。.jyqkulink中图分类号：TN911?34文献标识码：A：1004

2、?373X（2015）18?0005?03收稿日期：2015?03?08基金项目：国家自然科学基金重点项目：基于联合决策与估计的高频超视距雷达信息处理与融合（61135001）PID控制是比例微分积分控制的简称。在生产过程控制的发展历程中，PID控制是历史最悠久、生命力最顽强，并且也是目前为止应用最多的控制方法[1]。PID控制的精确程度主要取决于其KP,KI,KD三个控制参数，但这三个参数的参数整定复杂繁琐。过去人们往往使用经验规则加试凑的方式来调整PID控制参数，但随着控制工程的快速发展，这种方法越来

3、越费时且难以满足控制要求。为解决这种情况，采用智能优化算法来优化PID控制参数应运而生，并取得了明显的效果。文献[2]研究了采用蚁群算法优化PID控制器参数；文献[3]研究了使用遗传算法优化PID参数的方法；文献[4]在基础上改进了用于优化的遗传算法，提出了基于自适应遗传算法的PID参数整定方法；文献[5]采用改进的粒子群算法对PID参数进行了整定，均取得了一定的成果。在本文中研究采用一种全新的智能算法——萤火虫算法对PID参数进行整定，研究其在PID参数整定的可行性及其效果。1萤火虫算法萤火虫算法（GS

4、O）是群集智能优化算法领域的最新算法，它是由印度学者Krishnan和Ghose提出的一种群智能随机优化算法[6]。该算法从仿生学角度出发，模拟自然界中的萤火虫发光特性，通过荧光素值大小相互吸引对方，达到彼此交流信息的目的。实验表明，萤火虫算法在寻找各种全局最优解方面比遗传算法等更有效，成功率更高[7]。萤火虫算法的核心思想是被绝对亮度比他大的萤火虫吸引，并根据位置更新公式更新自身位置。具体算法步骤为[8]：首先建立萤火虫的绝对亮度和目标函数的关系，用萤火虫的绝对亮度表征萤火虫所在位置处潜在解的目标函数值

5、，即：假设萤火虫i的绝对亮度大于萤火虫j的绝对亮度，那么认为萤火虫j被萤火虫i吸引而向其移动，这种吸引力的大小与由两者之间的相对亮度成正比，考虑到萤火虫i的亮度随着距离的增加以及空气的吸收而减弱，定义两者之间的相对亮度为：式中：rij为两萤火虫之间的距离；γ为光吸收系数。那么萤火虫i对萤火虫j的吸引力为：式中β0为最大吸引力。萤火虫j的位置更新公式为：式中：t为算法的迭代次数；α为常数；εj→为随机数向量。综上所述，萤火虫算法的基本流程可以用图1描述。2萤火虫算法优化PID控制器参数步骤2.1问题描述PI

6、D控制器系统结构图如图2所示。PID控制器的优化问题就是确定一组合适的参数KP,KI,KD，使得指标达到最优。为了获得满意的过渡过程动态特性，采用误差绝对值时间积分作为待优化的最小目标函数，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[9]：式中：e(t)为系统误差;u(t)为控制器输入;ulink之间连接的纽带是萤火虫（即PID控制器参数）和其对应的适应值（即控制系统的性能指标）。首先产生初始化的萤火虫种群（即控制其参数的初始值）依次赋给PID控制器参数，然后运行控制系统模型，得到相应的性能指

7、标，传递给优化算法作为其适应度值，最后判断优化是否结束。2.3仿真设置萤火虫算法仿真参数如下所述，萤火虫数目为40，最大迭代次数为100，最大吸引力β0=1.0，光吸收系数γ=1.0。优化后得到的性能指标和控制器参数为：KP=16.129，KI=0.2209，KD=0.2209，ITAE=24.9812。整定过程中性能指标J变化如图5所示；采用优化后的参数的PID阶跃响应如图6所示。由仿真结果可以看出利用萤火虫算法优化PID控制器参数的阶跃响应时间短，基本没有超调，跟踪过程较平稳，仿真结果说明采用萤火虫算

8、法优化PID控制器参数是确实可行的。3结论本文改进了传统的PID参数优化方法，提出采用萤火虫算法的参数优化方法，利用Simnulink构建了基于萤火虫算法的PID参数优化仿真模型，并针对算例进行了仿真计算。结果表明，该算法实现简单寻优快速并具有较高的全局收敛能力。阶跃响应时间短，基本没有超调，跟踪过程较平稳，可以说采用萤火虫算法优化PID控制器参数是确实可行的。.jyqkATLAB仿真[M].北京：清华大学出版社，2005.[