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        一種性能可調(diào)的PID參數(shù)優(yōu)化整定方法

        2020-11-23 07:32:54馮健張春輝雎剛
        機電信息 2020年29期
        關(guān)鍵詞:遺傳算法優(yōu)化

        馮健 張春輝 雎剛

        摘要:提出了一種性能可調(diào)的PID參數(shù)優(yōu)化整定方法。該方法采用新型優(yōu)化整定性能指標(biāo),通過遺傳算法優(yōu)化整定PID參數(shù)。研究表明,通過改變優(yōu)化性能指標(biāo)中的偏差變化率的權(quán)系數(shù),可簡單、有效地調(diào)整最終的PID優(yōu)化整定效果。仿真研究結(jié)果表明,所提方法是有效的。

        關(guān)鍵詞:PID;參數(shù)整定;優(yōu)化;遺傳算法

        0 引言

        PID控制算法簡單、魯棒性好,在工業(yè)過程控制中得到了廣泛應(yīng)用。PID控制器參數(shù)優(yōu)化整定的性能取決于優(yōu)化的性能指標(biāo),目前普遍采用的是偏差積分型性能指標(biāo)[1-2],該類指標(biāo)的不足之處是最終的優(yōu)化性能不可調(diào)整。盡管已有基于偏差積分型性能指標(biāo)的改進型指標(biāo),如分段積分等,但優(yōu)化性能與性能指標(biāo)中的參數(shù)關(guān)系較復(fù)雜、不明確,不利于實際工程應(yīng)用。

        為此,本文提出了一種新型控制器參數(shù)優(yōu)化性能指標(biāo),并采用遺傳算法進一步優(yōu)化整定PID控制器參數(shù)。通過仿真研究,證明了所提方法可通過改變優(yōu)化性能指標(biāo)中的偏差變化率的權(quán)系數(shù),簡單、有效地調(diào)整最終的PID控制器優(yōu)化整定效果,極大地方便了PID控制器的工程應(yīng)用。

        1 性能可調(diào)PID參數(shù)優(yōu)化整定方法

        1.1? ? 新型優(yōu)化性能指標(biāo)

        PID控制器參數(shù)整定期望閉環(huán)控制系統(tǒng)具有如圖1所示的設(shè)定值階躍響應(yīng)曲線,圖中y為被控量,r為被控量的設(shè)定值。

        定義被控量的偏差e(t)=r-y(t),則在圖1的I區(qū)和III區(qū)中,e(t)·ce(t)<0,被控量趨于設(shè)定值,其中ce(t)為被控量的偏差變化率;在II區(qū)和IV區(qū)中,e(t)·ce(t)>0,被控量遠離設(shè)定值。因此,可將被控量的偏差變化率引入PID控制器參數(shù)優(yōu)化整定的性能指標(biāo)中,定義性能指標(biāo)P:

        以最小化性能指標(biāo)P為目標(biāo)整定PID參數(shù),可使閉環(huán)控制系統(tǒng)具有如圖1所示的階躍響應(yīng)曲線,并且通過被控量偏差變化率的權(quán)重系數(shù)λ的不同賦值,可改變圖1曲線的形狀,調(diào)整閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制性能。

        1.2? ? 優(yōu)化整定算法及步驟

        遺傳算法作為一種通用的、有效的優(yōu)化技術(shù)在各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。本文以式(1)的P作為PID參數(shù)優(yōu)化整定性能指標(biāo),采用遺傳算法進行PID參數(shù)的優(yōu)化整定。

        首先由被控過程和PID控制器構(gòu)成如圖2所示的單回路負反饋仿真控制系統(tǒng),圖中u(t)為PID控制器的輸出,G(s)為被控過程傳遞函數(shù),C(s)為PID控制器傳遞函數(shù)。

        (1)設(shè)置PID控制器參數(shù)KP、KI和KD的優(yōu)化搜索范圍。

        利用單回路負反饋仿真控制系統(tǒng),利用設(shè)定值r作單位階躍擾動仿真實驗,采用臨界比例帶法得到KP、KI和KD的一組整定參數(shù)KP 0、KI0和KD 0,PID控制器的3個參數(shù)的優(yōu)化值搜索范圍分別設(shè)為:

        3 結(jié)語

        針對傳統(tǒng)PID控制器參數(shù)優(yōu)化整定方法存在控制性能難以調(diào)整的問題,本文提出了一種新型PID控制器參數(shù)優(yōu)化整定性能指標(biāo),并將其應(yīng)用于PID參數(shù)的優(yōu)化整定。同時,經(jīng)過仿真研究驗證,證明了所提方法可通過改變優(yōu)化性能指標(biāo)中的偏差變化率的權(quán)系數(shù),簡單、有效地調(diào)整最終的PID控制器優(yōu)化整定效果,極大地方便了PID控制器的工程應(yīng)用。

        [參考文獻]

        [1] 黃宜慶.PID控制器參數(shù)整定及其應(yīng)用研究[D].淮南:安徽理工大學(xué),2009.

        [2] 劉鎮(zhèn),姜學(xué)智,李東海.PID控制器參數(shù)整定方法綜述[J].電力系統(tǒng)自動化,1997,21(8):79-83.

        [3] 劉虹.應(yīng)用改進遺傳算法進行PID控制器參數(shù)整定[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2006.

        [4] 徐傳敬,趙敏,李天明.一種改進遺傳算法的PID參數(shù)整定研究[J].計算機技術(shù)與發(fā)展,2016,26(9):12-15.

        [5] 趙亮.遺傳算法在熱工過程建模與優(yōu)化控制中的應(yīng)用研究[D].南京:東南大學(xué),2006.

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