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基于改进人工鱼群算法的PID控制器的研究

作 者: 吴姗姗
导 师: 黄友锐
学 校: 安徽理工大学
专 业: 电力电子与电力传动
关键词: 人工鱼群算法 PID控制器 优化 FPGA
分类号: TP273
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
下 载: 7次
引 用: 0次
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内容摘要


PID控制以其结构简单易操作,控制效果好等特点,已成为工业生产过程中最常用的控制方法,对Kp, Kd, Ki三个参数进行优化可以使其控制性能达到令人满意的效果。控制系统多种多样,除了对线性和不变的系统,传统的PID控制器对其它不同系统的控制效果难以令人满意。因此,PID控制器参数的智能优化方法成为人们研究的热点。水中的鱼可以寻找到食物往往是通过自身或者追逐其他伙伴而寻觅到的,因此鱼群通常都会聚集在水中食物最丰富的地方。该算法通过构造出的人工鱼模型的觅食、随机、聚群和追尾等一系列行为来实现寻优。此算法操作简单,易实现,且具有较强地取得全局极值的能力。针对基本人工鱼群算法易陷入局部极值,难以保证得到全局最优解的问题,在基本人工鱼群算法的基础上,引入了攻击行为,提出了一种改进人工鱼群算法。本文分别采用人工鱼群算法和改进人工鱼群算法对PID控制器参数进行优化,从理论上介绍了两种算法的寻优原理,并在MATLAB软件平台下结合传统PID控制进行参数优化。通过仿真实验证明,具有攻击行为的人工鱼群算法有助于引导人工鱼跳出局部最优解域,在全局范围内搜索最优解,提高了PID控制器参数优化的效率。本文以FPGA来实现改进人工鱼群算法的PID控制器的参数优化。首先对改进人工鱼群算法的PID控制器进行模块划分,主要由RAM模块,随机数模块,Foodconsistence模块,SOPC模块,追尾模块,觅食模块和攻击模块等构成。针对设计时小数和函数的数量比较大等因素,对数据进行处理,把整型转化为浮点型,通过宏模块实现对各个函数模块的搭建,利用编程实现参数的寻优,最终在Quartus Ⅱ9.0进行RTL级电路仿真。结果表明基于FPGA的改进人工鱼群算法PID控制器能有效地控制输入且设计灵活、可靠性高,在增加优化精度和系统的自身适应性的同时,还能提高系统性能。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-14
1 绪论  14-18
  1.1 课题研究的背景及意义  14
  1.2 PID控制器及其参数优化发展现状  14-16
    1.2.1 国内发展现状  15-16
    1.2.2 国外发展现状  16
  1.3 人工鱼群算法的国内外研究现状  16-17
  1.4 本文的组织结构  17-18
2 基于人工鱼群算法对PID控制器参数优化  18-30
  2.1 数字PID控制器的介绍  18-21
    2.1.1 PID控制器的结构及原理  18-19
    2.1.2 位置式和增量式PID控制算法  19-21
  2.2 人工鱼群算法介绍  21-25
    2.2.1 人工鱼群算法的思想  21-22
    2.2.2 人工鱼的相关定义  22
    2.2.3 基本行为描述  22-23
      2.2.3.1 觅食行为  22-23
      2.2.3.2 聚群行为  23
      2.2.3.3 追尾行为  23
      2.2.3.4 随机行为  23
      2.2.3.5 公告板  23
    2.2.4 算法描述及流程图  23-25
  2.3 各参数对收敛性能的影响  25
  2.4 基于人工鱼群算法的PID控制器参数优化仿真  25-28
    2.4.1 模型的建立  25
    2.4.2 适应度函数的定义  25-26
    2.4.3 控制变量可行解域的定义  26
    2.4.4 算法的终止条件  26
    2.4.5 基于人工鱼群算法的PID控制器参数优化步骤  26-27
    2.4.6 仿真结果  27-28
  2.5 小结  28-30
3 基于改进人工鱼群算法对PID控制器参数优化  30-42
  3.1 改进人工鱼群算法  30-32
    3.1.1 改进人工鱼群算法的思想  30
    3.1.2 改进人工鱼群算法的行为描述  30-31
    3.1.3 改进人工鱼群算法的描述和基本流程图  31-32
  3.2 改进人工鱼群算法的函数优化  32-36
    3.2.1 函数的选取  32
    3.2.2 仿真结果分析  32-36
  3.3 基于改进人工鱼群算法的PID控制器参数优化步骤  36
  3.4 仿真结果分析  36-40
  3.5 小结  40-42
4 基于FPGA的改进人工鱼群算法PID控制器设计  42-86
  4.1 FPGA硬件设计  42-45
    4.1.1 电源电路  42-43
    4.1.2 时钟复位电路  43-44
    4.1.3 配置电路  44
    4.1.4 A/D和D/A接口电路  44-45
  4.2 FPGA设计流程  45-46
  4.3 FPGA的常用开发工具  46
  4.4 Altera公司IP工具  46-57
    4.4.1 Altera IP的设计作用  46-47
    4.4.2 Altera提供的IP核  47-48
      4.4.2.1 基本宏功能  47
      4.4.2.2 Altera的IP核  47-48
      4.4.2.3 MegaWizard管理器  48
    4.4.3 制定宏功能  48-53
    4.4.4 Altara浮点宏功能模块  53-57
  4.5 基于FPGA的改进人工鱼群算法PID控制器设计与实现  57-62
    4.5.1 RAM模块功能介绍  58-59
    4.5.2 鱼群模块功能介绍  59-62
  4.6 各相关模块的实现  62-85
    4.6.1 RAM模块构建  62-65
    4.6.2 随机数模块构建  65-70
    4.6.3 Follow模块构建  70-81
      4.6.3.1 PID_Besj_wr_out模块  70-73
      4.6.3.2 距离计算模块  73-79
      4.6.3.3 follow_visual_seach模块  79-80
      4.6.3.4 新PID生成模块  80-81
    4.6.4 食物浓度模块构建  81-82
    4.6.5 SOPC模块  82-85
  4.7 小结  85-86
5 总结与展望  86-88
  5.1 全文总结  86
  5.2 工作展望  86-88
参考文献  88-92
致谢  92-94
作者简介及读研期间主要科研成果  94-96
附录  96-100

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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