基于遗传算法的鲁棒控制优化方法技术

一种基于遗传算法的鲁棒控制优化方法，其包括：步骤1：确定被控对象的加权函数W1、W2、W3的传递函数；步骤2、通过遗传算法优化K1和ωc，并输出H∞控制器。本发明专利技术在鲁棒控制方法中引入遗传算法，优化被控对象加权函数的参数，不仅提高了加权函数的参数优化精确度，得出的鲁棒H∞控制器可使被控对象的性能在约束范围内达到最优，应用范围更广泛，发计简单、使用更灵活；本发明专利技术在鲁棒控制方法中引入遗传算法，还解决了现有技术鲁棒H∞控制器中加权函数的选择凭借专家经验的劣势，使得无经验的学者亦能轻松合理地构造出加权函数，并得出最优鲁棒H∞控制器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于鲁棒控制
，具体涉及基于遗传算法的鲁棒控制优化方法。
技术介绍
从20世纪80年代初起，在现代控制理论框架上迅速发展起来的鲁棒控制理论，由于其结合系统参数不确定性及外部扰动不确定性的考虑，研究系统的鲁棒性能分析和综合问题，弥补了现代控制理论需要对象精确数学模型的缺陷，使得系统的分析和综合方法更加有效、实用。鲁棒H∞控制器的设计在现阶段遇到的主要技术难题是在设计过程中需要构造加权函数，加权函数对控制器起决定性作用，然而现有的理论技术对于加权函数的构建没有统一的形式方法，樊树军在“H∞混合灵敏度设计问题仿真研究”(哈尔滨工业大学硕士生学位论文，2010)中给出了加权阵的约束条件。然而，这些约束条件对如何快速地构造出不同控制对象的加权函数并不实用，且经验性强，较难将先进的鲁棒H∞控制在工业上广泛应用。基于以上现状，结合遗传算法具有从多个点构成的群体进行搜索，只需要将设计问题转换成目标函数及其约束条件以及可达到全局最优的特点，本专利技术基于遗传算法实现了最优鲁棒H∞控制器的设计。
技术实现思路
为克服现有技术的上述缺陷，本专利技术的目的在于提出一种基于遗传算法的鲁棒控制优化方法，该方法通过引入遗传算法不仅可以提高加权函数的参数优化精确度，还可以输出最优鲁棒控制器。为实现上述专利技术目的，本专利技术的通过如下技术方案实现：一种基于遗传算法的鲁棒控制优化方法，包括如下步骤：步骤1：确定被控对象的加权函数W1、W2、W3，其传递函数表达式如下：W1=K1K1ωcs+1W2=2umaxW3=15ωCs+110]]>式中，W1为对灵敏度函数S的加权函数，W2为对控制量u的加权函数，W3为对补灵敏度函数T的加权函数；K1为被控对象期望的低频增益，ωc为被控对象期望的剪切频率，s为拉普拉斯算子，umax为控制量u的上限值；步骤2、通过遗传算法优化K1和ωc，并输出H∞控制器。进一步地，所述步骤1中，所述被控系统期望的低频增益K1和被控系统期望的剪切频率ωc同时满足下述约束条件：(1)ωcK1≥ωd(2)K1≥20]]>式中，ωd为被控对象中干扰信号的频率上限。进一步地，所述步骤2包括：步骤21、设置遗传算法的参数，并初始化种群；步骤22、确定每个个体的适应度；步骤23、更新种群；步骤24、重复步骤22-23，直至找出K1、ωc的最优解或达到进化代数G为止，输出H∞控制器。与现有技术相比，本专利技术达到的有益效果是：本专利技术在鲁棒控制方法中引入遗传算法，优化被控对象加权函数的参数，不仅提高了加权函数的参数优化精确度，得出的鲁棒H∞控制器可使被控对象的性能在约束范围内达到最优，应用范围更广泛，设计简单、使用更灵活；本专利技术在鲁棒控制方法中引入遗传算法，还解决了现有技术鲁棒H∞控制器中加权函数的选择凭借专家经验的劣势，使得无经验的学者亦能轻松合理地构造出加权函数，并得出最优鲁棒H∞控制器。为了上述以及相关的目的，一个或多个实施例包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面，并且其指示的仅仅是各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下面的详细说明结合附图考虑而变得明显，所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们的等同。附图说明附图用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本专利技术的实施例一起用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1为本专利技术实施例中基于遗传算法的鲁棒控制优化方法流程图；图2为本专利技术实施例中优化过程中每一代最优适应度曲线；图3为本专利技术实施例中加入鲁棒H∞控制前后bode图；图4是混合灵敏度S、T与加权函数W1、W3的倒数比较图。具体实施方式以下描述和附图充分地示出本专利技术的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本专利技术的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本专利技术的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“专利技术”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的专利技术，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个专利技术或专利技术构思。为了解决现有技术中鲁棒H∞控制器中加权函数的选择凭借专家经验的劣势，加权函数参数的确定及H∞控制器的精确度不足的问题，本专利技术实施例提供一种基于遗传算法的鲁棒控制优化方法，该方法可以应用于需要进行鲁棒控制的各个领域的被控对象中，该被控对象可以是储能系统(例如：储能设备)、微电网(例如：微电网分布式电源有功功率、微电网频率)、风电场(例如：风机变桨执行机构)、微型燃气轮机等等，该方法的流程如图1所示，包括如下步骤：步骤1、根据被控对象中干扰信号的最大频率ωd以及控制量u的上限umax，确定被控对象的加权函数W1、W2、W3及其约束条件。加权函数W1、W2、W3传递函数表达式如下：W1=K1K1ωcs+1W2=2umaxW3=15ωCs+110---(1)]]>式(1)中，W1为对灵敏度函数S的加权函数，W2为对控制量u的加权函数，W3为对补灵敏度函数T的加权函数，K1为被控系统期望的低频增益，ωc为被控系统期望的剪切频率，s为拉普拉斯算子，umax为控制量u的上限值；基于以上加权函数设计出的控制器阶次将比被控对象的阶次多一阶(多一阶具体就是若被控对象的拉普拉斯算子的最高阶次是m，则控制器的阶次将是m+1)。待优化的K1和ωc需同时满足下述约束条件：(1)ωcK1≥ωd(2)K1≥20---(2)]]>式(2)中，ωd为被控对象中干扰信号的频率上限。本专利技术实施例的优化方法在设计中将干扰信号、控制信号等具有实际应用价值因素考虑进来，以约束条件、调节参数融入到设计当中，同时设计出的鲁棒H∞控制器阶次较低，为鲁棒H∞控制在工业上的推广应用提供依据。步骤2、将加权函数中K1和ωc作为种群中个体的参数，通过遗传算法优化K1和ωc，并输出H∞控制器，步骤2可以通过如下步骤21-24实现。步骤21、设置遗传算法的参数，并初始化种群。待优化的参数为K1、ωc，故自变量为K1、ωc。遗传算法参数包括：种群规模N、进化代数G、交叉概率Pm、变异概率Pc，还可以包括自变量范围σ1、σ2和计算精度ε。本例中，设置种群规模N的取值范围为20～100，进化代数G的取值范围为50～200，交叉概率Pm的取值范围为0.5～0.85，变异概率Pc的取值范围为0.05～0.2，K1的取值范围为20～200，ωc的取值范围为0.1～100。初始化种群采用随机数生成方法，即在自变量范围内随机产生第一代种群。随机产生的第一代种群采用二进制格雷码进行编码，其原理为：设有二进制码B1B2…Bn，对应的格雷码为A1A2…An，其中Ai=B1i=1Bi-1&CirclePlus本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于遗传算法的鲁棒控制优化方法，其特征在于，该方法包括：步骤1：确定被控对象的加权函数W1、W2、W3，其传递函数表达式如下：W1=K1K1ωcs+1]]>W2=2umax]]>W3=15ωCs+110]]>式中，W1为对灵敏度函数S的加权函数，W2为对控制量u的加权函数，W3为对补灵敏度函数T的加权函数；K1为被控对象期望的低频增益，ωc为被控对象期望的剪切频率，s为拉普拉斯算子，umax为控制量u的上限值；步骤2、通过遗传算法优化K1和ωc，并输出H∞控制器。

【技术特征摘要】
1.一种基于遗传算法的鲁棒控制优化方法，其特征在于，该方法包括：步骤1：确定被控对象的加权函数W1、W2、W3，其传递函数表达式如下：W1=K1K1ωcs+1]]>W2=2umax]]>W3=15ωCs+110]]>式中，W1为对灵敏度函数S的加权函数，W2为对控制量u的加权函数，W3为对补灵敏度函数T的加权函数；K1为被控对象期望的低频增益，ωc为被控对象期望的剪切频率，s为拉普拉斯算子，umax为控制量u的上限值；步骤2、通过遗传算法优化K1和ωc，并输出H∞控制器。2.如权利要求1所述的鲁棒控制优化方法，其特征在于，所述步骤1中，所述被控系统期望的低频增益K1和被控系统期望的剪切频率ωc同时满足下述约束条件：ωcK1≥ωd---(1)]]>(2)K1≥20式中，ωd为被控对象中干扰信号的频率上限。3.如权利要求1所述的鲁棒控制优化方法，其特征在于，所述步骤2包括：步骤21、设置遗传算法的参数，并初始化种群；步骤22、确定每个个体的适应度；步骤23、更新种群；步骤24、重复步骤22-23，直至找出K1、ωc的最优解或达到进化代数G为止，输出H∞控制器。4.如权利要求3所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李相俊，陈金元，谢巍，惠东，郭光朝，官亦标，陈继忠，王立业，张亮，贾学翠，
申请(专利权)人：国家电网公司，中国电力科学研究院，国网山东省电力公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11