[發(fā)明專利]基于系統(tǒng)嵌套優(yōu)化的預(yù)測(cè)PID方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810839914.5
• 申請(qǐng)日: 2018-07-27
• 公開（公告）號(hào): CN109062040B
• 公開（公告）日: 2021-12-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙熙臨;林震宇;湯倩;龔夢(mèng);蘇浩;何晶晶
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湖北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 武漢帥丞知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 42220
• 代理人: 朱必武;劉丹

1.基于系統(tǒng)嵌套優(yōu)化的預(yù)測(cè)PID方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟：

步驟1：使用PID控制器控制被控對(duì)象，被控對(duì)象的輸出與PID控制器之間形成單位負(fù)反饋，PID控制器的輸出為被控對(duì)象的輸入；

步驟2：增加預(yù)測(cè)優(yōu)化模塊，將被控系統(tǒng)的輸出作為預(yù)測(cè)優(yōu)化模塊輸入，形成單位正反饋，預(yù)測(cè)優(yōu)化模塊的輸出與單位負(fù)反饋疊加共同接入PID的輸入端；

步驟3：將PID控制器和被控對(duì)象及其之間的單位負(fù)反饋共同作為新的廣義預(yù)測(cè)對(duì)象，將其數(shù)學(xué)模型寫入預(yù)測(cè)優(yōu)化模塊；

步驟4：預(yù)測(cè)優(yōu)化模塊采用的預(yù)測(cè)算法為動(dòng)態(tài)矩陣控制DMC算法，對(duì)控制系統(tǒng)做在線的優(yōu)化；

步驟5：離線優(yōu)化算法將預(yù)測(cè)算法融入粒子群PSO優(yōu)化算法循環(huán)迭代過程之中，形成預(yù)測(cè)-PSO嵌套算法；將預(yù)測(cè)-PSO嵌套算法用于對(duì)預(yù)測(cè)PID控制器中比例K_p、積分K_i和微分K_d三個(gè)參數(shù)的尋優(yōu)；

所述的預(yù)測(cè)優(yōu)化模塊和PID控制器組成串級(jí)控制結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)是：將PID控制器和PID控制器的被控對(duì)象及其之間的單位負(fù)反饋共同作為預(yù)測(cè)優(yōu)化模塊廣義預(yù)測(cè)對(duì)象，將被控系統(tǒng)的輸出作為預(yù)測(cè)優(yōu)化模塊的輸入，預(yù)測(cè)優(yōu)化模塊的輸出疊加PID控制器的單位負(fù)反饋，作為PID控制器的輸入；并且，將目標(biāo)信號(hào)作為跟蹤參考信號(hào)接入預(yù)測(cè)優(yōu)化模塊；廣義預(yù)測(cè)對(duì)象的傳遞函數(shù)，如式(1)所示：

式中，U(s)為預(yù)測(cè)優(yōu)化模塊的最優(yōu)輸出也是廣義預(yù)測(cè)對(duì)象的最優(yōu)輸入，Y(s)為廣義控制對(duì)象的最優(yōu)輸出，s為拉普拉斯微分算子；

所述的預(yù)測(cè)-PSO嵌套算法，在PSO算法每更新一次當(dāng)前全局最優(yōu)解G_t之后將新的廣義預(yù)測(cè)對(duì)象寫入預(yù)測(cè)優(yōu)化模塊，即更新一次預(yù)測(cè)優(yōu)化模塊，其流程是：

第一步：初始化粒子群，隨機(jī)生成所有粒子的位置和速度，將粒子分配給2-DOF PID控制器的五個(gè)控制參數(shù)，建立廣義目標(biāo)預(yù)測(cè)優(yōu)化的初始數(shù)學(xué)模型；

第二步：設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)J，并運(yùn)行控制系統(tǒng)尋找最優(yōu)粒子，并將粒子的值作為局部最優(yōu)解P_t；

第三步：將局部最優(yōu)解與全局最優(yōu)解G_t進(jìn)行比較，如果局部最優(yōu)解是全局最優(yōu)解，則將當(dāng)前最優(yōu)解作為新的全局最優(yōu)解，否則全局最優(yōu)解保持不變；

第四步：在預(yù)測(cè)優(yōu)化過程中，更新廣義控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型；

第五步：確定出口條件是否滿足；如果滿意，則退出；否則，生成一個(gè)新的粒子群并返回到第二步；

所述的預(yù)測(cè)-PSO嵌套算法，將廣義預(yù)測(cè)對(duì)象寫入預(yù)測(cè)優(yōu)化模塊，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)狀態(tài)方程如式(2)所示

式中：X、U、W和Y分別代表狀態(tài)變量、輸入變量、擾動(dòng)量和輸出量；A、B、D和C分別代表系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣、輸入矩陣、擾動(dòng)矩陣和輸出矩陣，其中，X＝[Y(s) I(s) D(s) F(s)]^T

U＝U(s)

W＝W(s)

B＝[1 0 0 0]^T

C＝[1 0 0 0]

D＝[-1 0 0 0]^T

N為常數(shù)等于1000。