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南京航空航天大学
研究生实验报告
实验名称: 遗传算法PID控制器设计
姓 名:
学 号:
专 业:
201 年 月 日
PAGE \* MERGEFORMAT8
一、题目要求
考虑如下某水下航行器的水下直航运动非线性模型:
其中为水下航行器的前进速度, 为水下航行器的推进器推力,为水下航行器的输出,航行器本体质量、附加质量以及非线性运动阻尼系数分别为。
作业具体要求:
1、设计基于遗传算法的模糊控制器、神经网络控制器或PID控制器(任选一)。
2、分析采用遗传算法前后的控制效果。
3、分析初始条件对寻优及对控制效果的影响。
4、分析系统在遗传算法作用下的抗干扰能力(加噪声干扰、加参数不确定)、抗非线性能力(加死区和饱和特性)、抗时滞的能力。
二、基于遗传算法的PID控制器设计与仿真
1.遗传算法的水下航行器模型
采用遗传算法对PID控制器参数进行优化,其中水下航行器模型采用如下函数实现,通过调用ode45()可以求解此非线性模型。
%
function dy = UnderwaterVehicle(t, y, u)
m = 100 ;
ma = 15 ;
k = 10 ;
dy = (u - k * abs(y) * y )/(m + ma) ;
%
2.最优指标的选取
为获得满意的过渡过程动态特性,采用误差绝对值积分性能指标作为参数选择的最小目标函数。为防止控制能量过大,在目标函数中加入控制输入的平方项。选用下式作为参数选取的最优指标:
其中为系统误差,为控制器输出,为上升时间,、和为权值。
3.遗传算法中相关参数的设置
(1)遗传算法中使用的样本个数为30;
(2)PID控制器参数Kp的取值范围为[0,2000],Kd的取值范围为[0,100],Ki的取值范围为[0,500];
(3)交叉概率和变异概率分别为Pc=0.9和Pm=0.3;
(4)取,=0.001,=2.0;
(5)设置进化40代。
相关代码的编写如下,详见文件夹的m文件。
Size_of_Sample = 30;
CodeL=3;
% Range of Kp
MinX(1)=0*ones(1);
MaxX(1)=2000*ones(1);
% Range of Kd
MinX(2)=0*ones(1);
MaxX(2)=100*ones(1);
% Range of Ki
MinX(3)=0*ones(1);
MaxX(3)=500*ones(1);
G=40;
BsJ=0;
Ji(i)=0.999*abs(error(i))+0.001*u(i)^2;
B=B+Ji(i);
编码方式采用浮点编码,经过40代进化,获得的优化参数如下:PID整定结果为Kp=103.7688,Kd=6.8640,Ki=50.4850。其中,代价函数J的优化过程如图1所示。
图1 代价函数J的优化过程
同时,得到在整定后的PID参数下的阶跃相应如下图2所示:
图2 系统阶跃响应
三、初始条件对对控制效果的影响
考察遗传算法的初始条件对PID参数寻优和控制效果的影响。
(1)设置Kp的取值范围为[0,1000],Kd的取值范围为[0,500],Ki的取值范围为[0,10],仿真结果如下:
图3 系统阶跃响应
(2)保持变异概率Pm不变,设置交叉概率Pc=0.95,仿真结果如下:
图4 系统阶跃响应
(3)保持交叉概率Pc不变,设置变异概率Pm=0.2,优化求解及仿真结果如下:
图5 系统阶跃响应
由以上三组遗传算法优化对比可知,遗传算法的初始条件对控制效果具有重要影响。通过多次寻优,参数取值范围可以根据上次求解最优值适当缩小,进而可以大大缩短寻优时间。交叉和变异概率对寻优过程也有重要影响。
四、基于遗传算法的PID控制的性能分析
考察基于遗传算法的PID控制的抗干扰、抗非线性和抗时滞能力。
(1)抗噪声和不确定性干扰的能力:
图6 遗传算法PID控制的阶跃响应
图7 遗传算法PID控制的阶跃响应
从仿真结果可知,基于遗传算法的PID控制对量测噪声和模型参数不确定的能力较好。
(2)抗死区和饱和非线性干扰的能力:
图8 遗传算法PID控制的阶跃响应
图9 遗传算法PID控制的阶跃响应
从仿真结果可知,基于遗传算法的PID控制对死区和饱和非线性具有一定的抑制能力,PID控制器仍能保证获得不错的控制效果。
(3)抗时滞非线性干扰的能力:
图10 遗传算法PID控制的阶跃响应
图11 遗传算法PID控制的阶跃响应
通过仿真可知,基于遗传算法的PID控制能应对0.1s的时滞,但是当时滞为0.2s及以上时,控
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