基于库思想和智能优化的控制器优化设计

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1、基于库思想和智能优化的控制器优化设计孙振路2016年1月中图分类号：TP273+.3UDC分类号：621.3基于库思想和智能优化的控制器优化设计作者姓名孙振路学院名称自动化学院指导教师辛斌副教授答辩委员会主席龚志豪教授申请学位工学硕士学科专业控制科学与工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2016年1月OptimalDesignofControllersBasedonLibrariesandIntelligentOptimizationCandidateName：ZhenluSunSchoolorDepartment:AutomationFacultyMentor:Bi

2、nXinChair,ThesisCommittee：ZhihaoGongDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：ControlScienceandEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January，2016研究成果声明研究成果声明研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或

3、其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要自动控制系统在军事武器装备、航空航天、工业生产中占有主导地位。在现代工业应用中，控制方法种类繁多，包括PID控制、模糊控制、自适应控制、自抗扰控制等。其中，PID控制器以其结构简单、鲁棒性强的特点被广泛用于过程控制和运动控制中，尤其适用于具有精确数学模型的控制系统。但是PID控制器结构固定，只能进行参数调节，对于复杂、非线性控制系统往往不能达到较优的控制效果。另外，控制器的一般设计过程是：研究人

4、员首先针对控制对象特性（时滞、饱和等），依靠经验确定采用何种控制策略；然后根据先验知识或者采用智能优化的方法调节控制器参数。由于先验知识及人的经验的局限性，研究人员设计的控制器结构被限制在较小的范围内，结构类型比较单一，很可能导致较差的控制性能。控制器包括结构和参数两大部分，参数调节需要在结构确定的前提下进行。为了设计性能更好的控制器，需打破设计经验的束缚，实现控制器结构的自动设计。智能优化算法是人类受自然界规律启发而设计的优化算法，具有通用性强、适于并行计算、全局优化的特点。智能优化算法相比于传统优化算法的诸多优点，使其被越来越多地应用于控制系统的优化设计，有效改善了控

5、制系统性能。智能优化为控制器结构和参数的自动设计提供了一种有效途径。为了实现控制器的自动设计，本文首先提出了一种“库”的思想，并构建了环节库、性能指标库和优化算法库。环节库中包括控制器结构组成的基本单元，性能指标库包括对控制器进行性能评价的各种指标，优化算法库包括多种对控制器的结构和参数进行搜索优化的算法。本文的控制器设计过程是：从环节库中选择多个基本环节作为控制器结构的构件，并按给定的组合规则生成具体的控制器结构。然后以性能指标库中的某一指标作为适应度评价函数，调用优化算法库中的某一算法优化结构和参数。PID控制器由比例、积分和微分三个典型环节并联连接构成，借鉴这种控制

6、器的组成方式，本文提出了一种最大结构范式控制器的优化设计方法。各控制环节以全并联的形式组成控制器，然后调用差分进化对组成控制器的各环节参数进行优化。以误差绝对值的积分（IntegralofAbsoluteError，IAE）为性能指标对多个典型线性系统（非最小相位系统和高阶系统）进行仿真实验，并与基于ZN整定规则、智能优化算法的I北京理工大学硕士学位论文PID控制器进行了比较。实验结果表明，最大结构范式控制器具有更小的IAE指标，综合性能更佳，系统超调量更小、上升时间和稳定时间更短，从而验证了该控制器设计方法的有效性和优越性。另外，本文还将该控制器用于单级倒立摆系统仿真中

7、，发现最大结构范式控制器可实现倒立摆系统的快速、稳定控制，该方法在非线性系统控制中的可行性得到了验证。为了更加灵活地设计控制器结构，本文研究了结构和参数的同步优化方法，并提出双层优化策略，其中，外层采用改进型的遗传算法实现结构的优化，内层采用自适应差分进化寻找在某一确定结构下的最优参数。本文针对二轴转台控制进行了仿真实验，分别设计了角速度控制器和角位置控制器。实验结果表明，基于该方法的二轴转台系统具有快速响应速度，并且系统能够对正弦信号进行精确跟踪。关键词：：：控制器：优化设计；结构优化；环节库；智能优化；差分进化；遗传算法I