基于混沌理论的控制系统优化算法-研究

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1、哈尔滨理_T人学T学硕．1：学位论文1．1引言第1章绪论一门新学科的创立，不仅是理论进步的结果，而且是生产发展的需要和社会实践深化的必然。开始于六十年代的混沌学研究，揭开了物理学、数学乃至整个现代科学发展的新篇章，是继相对论和量子力学之后的第三次物理学革命。如果说相对论描述了大尺度范围的宏观高速运动物体的运动规律，而量子力学给出了微观小尺度领域的运动特征，那么与前两次革命不同的是，混沌理论又一次回到了人类自身的尺度下，描述了我们习以为常、司空见惯的日常生活中的事物，揭示了我们以前没有认识到的貌似简单的现象

2、背后的复杂规律。混沌是一种貌似无规则的运动，它是在确定线性系统中，不需要附加任何随机因素也可以出现类似随机的行为(内在随机性)。混沌系统的最大特点就在于系统的演化对初始条件极端敏感，因此从长期意义上讲，系统的未来行为是不可预测的。从现象上看，混沌是一种完全无序、彻底混乱的状态。混沌与秩序被看作相反的两极，成为解释世界的两极要素。混沌现象在自然界随处可见，而规则运动只是在局部范围和较短时间内存在。通常研究的规则系统或确定性系统只是对混沌对象的近似或简化而已，可以说，混沌是绝对的，无所不在的，而规则只是相对的

3、、局部的。在数学上混沌是指在确定性系统中出现的随机状态。钱学森教授曾经指出，混沌是指宏观的有序和微观的无序现象。许多非线性系统的参数随着外界环境的变化而变化到一定程度时，系统就会进入混沌状态。这对系统是非常不利的，只能通过寻找一种控制方法使得混沌系统再回到原来的稳定状态(一般指常值稳态)。然而混沌现象也给我们带来了有利的一面，即混沌有许多很好的特性可以利用，譬如，混沌的短期预测可以帮助人们进行预测控制；混沌对初始条件的敏感性可以提高模式识别的精度；混沌的遍历特性，使得混沌优化算法可以调处局部极小等。混沌看

4、似杂乱无章，但在某些条件下反而可以表现出高度的有序。自90年代以来，混沌科学广泛的应用于其他许多学科，如电子学、信息科学、生物学、物理学、化学、天文现象、社会经济等。混沌现象的普遍存在及其广阔的应用3哈尔滨理T大学下学硕Ij学位论文前景使得对混沌科学的深入研究有着重要的意义。一方面它可以增加人类对大自然更深刻的认识和理解，另一方面也将对人类的科学观和方法论产生重大的影响。1．2课题的背景和研究意义在工业过程控制发展史上，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单直观、鲁棒性好和可靠性强，被广泛

5、应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。尽管PID控制器的参数整定是一个十分繁琐费时的工作，然而绝大多数基于现代控制理论设计的控制器或智能控制器的可调参数远多于三个参数，实际应用表明，人凭经验手动整定三个以上的控制参数是很困难的，因此，PID控制参数整定具有重要的实际意义。长期以来，许多学者一直在寻求PID控制器参数的自动整定技术，以适应复杂的工况和高指标的控制要求，使得PID控制参数整定方法和技术也不断地得到发展IIJ。特别是近年来，国际控制领域对PID控制的参数整定方法的研究

6、仍在继续，许多重要的国际杂志不断发表新的研究成果，如Automatic[2。5。，IEEEInternationalSymposiumonIntelligentControl【6，71，ControlEngineeringPracticeis】。混沌，当今举世瞩目的前沿课题及学术热点，它揭示了自然界及人类社会中普遍存在的复杂性。进入90年代，混沌与其它学科相互渗透、相互促进、广泛应用，使得混沌多个领域都得到了广泛的应用。混沌是存在于非线性系统中的一种较为普遍的现象，混沌并不是一片混乱，而是有着精制内在结构

7、的一类现象。混沌运动具有遍历性、随机性、规律性等特点，能在一定范围内按其自身的规律不重复地遍历所有状态。基于这些特点，混沌运动可被用来进行优化搜索且能避免陷入局部极小，混沌优化搜索方法己成为一种新颖的优化技术。在控制系统设计中，许多控制问题可以包括在优化的框架内。绝大多数常规控制器或智能控制器的可调参数都远多于三个，实际应用表明，人凭经验手动整定三个以上的控制器参数是很困难的。通常这种优化任务需要在多维空间同时确定若干个参数。由于实际问题往往带有严格的约束条件和非线性特性，同时性能指标函数可能既不连续又不

8、可微，不同的参数组合得到不同的控制效果。因此，优化技术一直受到理论界和工程界的关注。以非线性科学为代表的自然科学以及计算机技术的飞速发展为控制理论的发展提供了契机，非线性科学与控制理论的结合是发展的一个趋势，而混沌是非线性科学的一个重要特征。如何将混沌理论的研究成果应用到自动控制领域中去，这是一个新的思路，是富4哈尔滨理T大学T学硕_f．学位论文有挑战性的课题。本文主要研究将混沌优化方法引入PID控制器的整定、神经网络控制系统