本文關鍵詞：基于庫思想和智能優(yōu)化的控制器優(yōu)化設計，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：自動控制系統(tǒng)在軍事武器裝備、航空航天、工業(yè)生產(chǎn)中占有主導地位。在現(xiàn)代工業(yè)應用中,控制方法種類繁多,包括PID控制、模糊控制、自適應控制、自抗擾控制等。其中,PID控制器以其結構簡單、魯棒性強的特點被廣泛用于過程控制和運動控制中,尤其適用于具有精確數(shù)學模型的控制系統(tǒng)。但是PID控制器結構固定,只能進行參數(shù)調(diào)節(jié),對于復雜、非線性控制系統(tǒng)往往不能達到較優(yōu)的控制效果。另外,控制器的一般設計過程是:研究人員首先針對控制對象特性(時滯、飽和等),依靠經(jīng)驗確定采用何種控制策略;然后根據(jù)先驗知識或者采用智能優(yōu)化的方法調(diào)節(jié)控制器參數(shù)。由于先驗知識及人的經(jīng)驗的局限性,研究人員設計的控制器結構被限制在較小的范圍內(nèi),結構類型比較單一,很可能導致較差的控制性能。控制器包括結構和參數(shù)兩大部分,參數(shù)調(diào)節(jié)需要在結構確定的前提下進行。為了設計性能更好的控制器,需打破設計經(jīng)驗的束縛,實現(xiàn)控制器結構的自動設計。智能優(yōu)化算法是人類受自然界規(guī)律啟發(fā)而設計的優(yōu)化算法,具有通用性強、適于并行計算、全局優(yōu)化的特點。智能優(yōu)化算法相比于傳統(tǒng)優(yōu)化算法的諸多優(yōu)點,使其被越來越多地應用于控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計,有效改善了控制系統(tǒng)性能。智能優(yōu)化為控制器結構和參數(shù)的自動設計提供了一種有效途徑。為了實現(xiàn)控制器的自動設計,本文首先提出了一種“庫”的思想,并構建了環(huán)節(jié)庫、性能指標庫和優(yōu)化算法庫。環(huán)節(jié)庫中包括控制器結構組成的基本單元,性能指標庫包括對控制器進行性能評價的各種指標,優(yōu)化算法庫包括多種對控制器的結構和參數(shù)進行搜索優(yōu)化的算法。本文的控制器設計過程是:從環(huán)節(jié)庫中選擇多個基本環(huán)節(jié)作為控制器結構的構件,并按給定的組合規(guī)則生成具體的控制器結構。然后以性能指標庫中的某一指標作為適應度評價函數(shù),調(diào)用優(yōu)化算法庫中的某一算法優(yōu)化結構和參數(shù)。PID控制器由比例、積分和微分三個典型環(huán)節(jié)并聯(lián)連接構成,借鑒這種控制器的組成方式,本文提出了一種最大結構范式控制器的優(yōu)化設計方法。各控制環(huán)節(jié)以全并聯(lián)的形式組成控制器,然后調(diào)用差分進化對組成控制器的各環(huán)節(jié)參數(shù)進行優(yōu)化。以誤差絕對值的積分(Integral of Absolute Error,IAE)為性能指標對多個典型線性系統(tǒng)(非最小相位系統(tǒng)和高階系統(tǒng))進行仿真實驗,并與基于ZN整定規(guī)則、智能優(yōu)化算法的PID控制器進行了比較。實驗結果表明,最大結構范式控制器具有更小的IAE指標,綜合性能更佳,系統(tǒng)超調(diào)量更小、上升時間和穩(wěn)定時間更短,從而驗證了該控制器設計方法的有效性和優(yōu)越性。另外,本文還將該控制器用于單級倒立擺系統(tǒng)仿真中,發(fā)現(xiàn)最大結構范式控制器可實現(xiàn)倒立擺系統(tǒng)的快速、穩(wěn)定控制,該方法在非線性系統(tǒng)控制中的可行性得到了驗證。為了更加靈活地設計控制器結構,本文研究了結構和參數(shù)的同步優(yōu)化方法,并提出雙層優(yōu)化策略,其中,外層采用改進型的遺傳算法實現(xiàn)結構的優(yōu)化,內(nèi)層采用自適應差分進化尋找在某一確定結構下的最優(yōu)參數(shù)。本文針對二軸轉臺控制進行了仿真實驗,分別設計了角速度控制器和角位置控制器。實驗結果表明,基于該方法的二軸轉臺系統(tǒng)具有快速響應速度,并且系統(tǒng)能夠對正弦信號進行精確跟蹤。
【關鍵詞】：控制器優(yōu)化設計 結構優(yōu)化 環(huán)節(jié)庫 智能優(yōu)化 差分進化 遺傳算法
【學位授予單位】：北京理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP273
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第1章 緒論11-20
• 1.1 本論文的研究背景和研究意義11-12
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢12-15
• 1.3 智能優(yōu)化算法15-18
• 1.3.1 差分進化算法簡介15-17
• 1.3.2 遺傳算法簡介17-18
• 1.4 本文的研究內(nèi)容18-20
• 第2章 基于庫思想的控制器優(yōu)化設計方法20-28
• 2.1 控制器優(yōu)化設計的“庫”概念20-26
• 2.1.1 環(huán)節(jié)庫21-23
• 2.1.2 性能指標庫23-25
• 2.1.3 優(yōu)化算法庫25-26
• 2.2 控制器的結構生成算子26-27
• 2.3 本章小結27-28
• 第3章 控制器優(yōu)化設計的智能優(yōu)化算法28-45
• 3.1 經(jīng)典差分進化算法及其改進型28-39
• 3.1.1 經(jīng)典差分進化算法28-30
• 3.1.2 自適應差分進化算法30-34
• 3.1.3 參數(shù)編碼策略34-39
• 3.2 遺傳算法39-44
• 3.2.1 遺傳算法的基本原理39-41
• 3.2.2 遺傳算法的改進41-42
• 3.2.3 結構優(yōu)化中的遺傳算法42-44
• 3.3 本章小結44-45
• 第4章 最大結構范式控制器的智能優(yōu)化設計45-64
• 4.1 最大結構范式控制器45-47
• 4.1.1 控制器結構組成45-46
• 4.1.2 智能優(yōu)化設計流程46-47
• 4.2 典型線性控制系統(tǒng)仿真47-57
• 4.2.1 非最小相位系統(tǒng)仿真47-53
• 4.2.2 高階線性控制系統(tǒng)仿真53-57
• 4.3 單級倒立擺控制系統(tǒng)仿真57-63
• 4.3.1 單級倒立擺問題描述57-59
• 4.3.2 實驗與結果分析59-63
• 4.4 本章小結63-64
• 第5章 控制器結構和參數(shù)的同步優(yōu)化設計64-77
• 5.1 結構和參數(shù)的同步優(yōu)化64-70
• 5.1.1 結構的表示方法64-68
• 5.1.2 同步優(yōu)化方法68-70
• 5.2 二軸轉臺控制系統(tǒng)的應用仿真70-76
• 5.2.1 二軸轉臺問題描述70
• 5.2.2 二軸轉臺控制系統(tǒng)仿真與結果分析70-76
• 5.3 本章小結76-77
• 結論77-79
• 參考文獻79-85
• 攻讀學位期間發(fā)表論文與研究成果清單85-86
• 致謝86

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