辽宁工程技术大学毕业设计（论文）
0 前言
PID控制是过程控制中广泛应用的一种控制方法。比例、积分、微分的组合决定了PID控制效果，决定了系统能否高效可靠地运行。PID参数整定方法随着PID的大量应用也不断更新。工程上经常使用工程整定法、反应曲线法等，在按照经验公式整定出参数后只需微调即可获得满意的控制性能。但是随着控制要求的不断提高，被控对象越来越复杂，使用常规PID整定方法整定PID参数难以取得令人满意效果，因此PID控制器参数的优化成为人们关注的问题, 它直接影响控制效果的好坏, 并和系统的安全、经济运行有着密不可分的关系。因此，有效的PID参数优化方法已成为迫切的需要。
遗传算法是一种不需要任何初始信息便可以寻求全局最优解的、高效的优化组合方法。它不受问题性质（如连续性、可导性）的限制，具有全局寻忧能力，往往能够得到较好的优化效果，满足人们的控制要求，因此对于遗传算法的研究和应用具有十分广泛的意义。
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基于遗传算法的PID控制器参数优化与仿真研究
1 绪论
1.1 选题背景与研究现状
PID控制是过程控制中广泛应用的一种控制。PID控制器早在30年代末期就已出现，问世至今以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。经过多年来的不断更新换代，PID控制得到了长足的发展。特别是近年来，随着计算机技术的飞速发展，发生了由模拟PID控制到数字PID控制的重大转变。与此同时还涌现出了许多新型PID控制算法和控制方式，在工业过程控制中获得广泛应用。
工业控制中的PID控制器主要依靠比例、积分、微分三个系数的线性组合来取得较为令人满意的控制效果，因此参数的整定成为是否能够令人满意的关键步骤[1]。PID参数整定是一个典型的多参数优化组合问题，早前常用Z-N 整定法、继电器反馈整定法、幅值相角裕度整定法等进行参数整定，基本上可以获得较为令人满意的效果。
但是随着被控对象越来越复杂，控制要求越来越高，常规的整定方法难以满足要求。由此发展出一系列智能PID参数整定方法：基于模糊控制的 PID 参数整定方法、基于神经网络的 PID 参数整定方法、基于遗传算法的 PID 参数整定方法、基于免疫算法的 PID 参数整定方法等。
遗传算法是一种具有全局寻忧能力的方法，它有着独特的特点，广泛应用于各种领域。目前一些专家学者都致力于分析研究基于遗传算法的PID控制器参数优化。很多参考文献都己经证实基于遗传算法的PID控制器参数优化整定优于传统的整定方法。
1.2 选题的目的和意义
本设计是应用遗传算法来进行PID参数的优化工作。遗传算法是利用达尔文提出的优胜略汰的生物进化原理，通过模拟生物进化过程来进行寻优的算法。遗传算法是一种具有全局寻优能力的算法，能够取得利用常规方法整定的参数所得不到的效果，满足较高的控制要求，对于有较高要求的控制过程得心应手，能够有效的降低生产的成本，提升经济效益。
1.3 研究方案和预期结果
研究方案：本文将以遗传算法为优化方法，通过理解和掌握基本遗传算法的原理、算法框架等，采用改进后的遗传算法整定PID控制器参数，使用MATLAB编程与仿真，与常规PID整定参数的仿真结果相比较，以验证在不同背景下遗传算法优化PID控制器参数的
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辽宁工程技术大学毕业设计（论文）
有效性。
预期结果：研究PID参数优化设计方法，利用基本遗传算法作为启发，用改进后的遗传算法来尽量克服基本遗传算法的一些弊端，使用遗传算法的框架，整定出在不同背景下优于常规PID整定方法整出的参数，获得良好的控制效果。并通过仿真证明遗传算法是PID参数优化的一种行之有效的方法。
1.4 论文结构
本论文的结构主要包括：
第一章：绪论。 介绍选题的背景和研究现状，选题的目的和意义，研究的内容及预期目标。
第二章：PID控制理论。介绍PID控制理论的相关内容，如PID控制原理，各个部分的作用，PID控制器等，作为入门的了解。
第三章：PID参数整定。粗略介绍了PID参数整定的常规方法和智能化方法的原理，并着重介绍遗传算法整定PID参数的内容。
第四章：遗传算法。主要介绍遗传算法的基本原理、思想，遗传算法的算法框架，遗传算法的内容和应用，作为利用遗传算法的学习内容。
第五章：基于遗传算法的PID参数优化。本章主要介绍了常规整定方法Z-N法的应用，以及运用遗传算法的过程。并通过对不同系统的仿真证明算法的有效性。
第六章：技术经济分析。主要从技术、经济效益方面分析了遗传算法整定PID控制器参数的实现和作用。
第七章：结论。对设计全文的研究和试验进行总结，并得出相关结论。
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基于遗传算法的PID控制器参数优化与仿真研究
2 PID控制理论
2.1 PID控制
PID（Proportional Integral Differential）控制是比例、积分、微分控制的简称。在生产过程自动控制的发展历程中，PID控制是历史最久、生命力最强的基本控制方式。当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，也适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制，就是根据系统的误差，利用系统的比例、积分、微分三个环节的不同组合计算出控制量来进行控制的。PID 控制由于它自身的优点，仍然是应用最广泛的基本控制方式，目前 90%以上的控制回路仍采用 PID 控制器[2]。PID控制主要包括模拟PID控制和数字PID控制。
2.2 模拟PID控制
PID控制器是一种线性调节器，这种调节器是将系统的给定值r与实际输出值y构成的控制偏差e?r-y的比例、积分、微分，通过线性组合构成控制量，所以简称PID控制器。
连续控制系统中的模拟PID控制规律为
u(t)?Kp[e(t)?1tde(t) (2-1) e(t)?TD?0Tidt式中Kp—比例系数
Ti—积分时间常数 TD—微分时间常数
将上面式子换成传递函数形式, 得：
U(s)1?Kp(1??TDs) (2-2) E(s)TiS模拟PID控制系统的原理框图如下图所示。
分别介绍比例调节器、积分调节器、微分调节器的作用[3]
1)比例调节器：比例调节器对偏差是即时反应的，偏差一旦出现，调节器立即产生控制作用，使输出量朝减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数Kp。比例调节器虽然简单快速，但是对系统的响应存在静差。可通过增大Kp值来减小稳定误差并提高系统的动态稳定速度，但是如果取值过大,将可能导致系统不稳定；太小会导致控制精度降低,响应速度减慢,系统的物理特性变坏。
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