使用遗传算法调整控制器

我已经阅读了一些有关控制非线性系统（例如非线性摆）的论文。有几种针对非线性系统的方法。最常见的是反馈线性化，后推和滑模控制器。

就我而言，我已经完成了控制简单摆的非线性模型以及C ++中其他操纵器问题的理论和实践部分。对于摆锤，我使用了后推控制器来解决角位移和速度的跟踪任务。结果是

\ddot{θ} + (k / m) \dot{θ} + (g / L) \sin θ = u

$\ddot{\theta} + (k/m) \dot{\theta} + (g/L) \sin\theta= u$

其中和。 $m=0.5, k=0.0001, L=.2$ $g=9.81$

效果不错。但是，调整控制器非常耗时。大多数论文使用遗传算法来调整其控制器，例如PD，PID和反推控制器。我在这一领域一无所知，希望有人对此概念有所了解，如果有一个MATLAB示例至少可以控制一个简单的摆锤，那是更好的选择。

到目前为止，我已经在C ++ / Qt中设计了一个简单的GUI，以便手动调整控制器。在下图中，控制器对步进功能的响应。

control

— 鳄鱼
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Answers:

使用进化方法（GA是其中的一种）进行参数调整的确是控制领域中的常用方法[1]。特别是对于非线性系统，可能很难找到最佳参数的解析解。进化方法是有效执行对接近最佳参数的搜索的一种方法。

广泛使用的一种非常成功且通用的方法是CMA-ES。有很多实现，包括用于MATLAB的实现。我知道各种形式的磁极平衡通常被用作基准。

应用该算法通常并不难。评估结果的效果-在EA中称为适应度函数-通常是最复杂的部分。

[1] PJ Fleming，RC Purshouse，《控制系统工程中的进化算法：调查》，《控制工程实践》，第10卷，第11期，2002年11月，第1223-1241页，ISSN 0967-0661，http：//dx.doi。 org / 10.1016 / S0967-0661（02）00081-3。

— 雅各布
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您是否遇到过任何您认为值得阅读有关GA的好书？

— CroCo

遗传算法是一种机器学习技术，它消除了用户“微调”系统的需要，而是允许计算机确定如何调整系统。这种方法的好处在于，它可以节省研究人员/用户的时间，并且通常可以使系统的调试效果好于研究人员/用户自己的能力。

使用遗传算法的一般思路将遵循以下基本控制流程：

Create_X_Number_Of_Random_Controllers()
while (Not_Yet_Satisfied_With_tuning)
    Score_Each_Controller_Based_On_Performance()
    Remove_Lowest_Performing_Controllers()
    Create_New_Controllers_By_Mixing_Best_Performers()
    Add_Slight_Randomness_For_Evolution()
Display_Top_Performer()

在实践中，我可以很容易地证明这一原则的最好例子就是这种“游戏”，它利用遗传进化来设计能够在整个路线上行驶的车辆。相同的想法适用于您想要微调而无需实际进行任何调整的任何系统。示例：http：//rednuht.org/genetic_cars_2/

— 蜜蜂
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如果那是@CroCo使用遗传算法的意思，那么Ziegler Nichols的调整方法将是实现该方法的理想选择，因为它具有很好的程序性。

— SteveO '02

我看不到@CroCo的其他含义，但是Ziegler Nichols的问题是它仍然需要您调整组件之一，就像使用遗传算法一样，您可以更改系统的任何方面，并且它会“进化”匹配，而无需开发人员进行任何残酷的工作

— 蜜蜂2016年

这个答案仍然是实现这一目标的一般过程。遗传算法是整个研究领域，并且涉及的范围很广，但是要在简短的回应中进行真正的解释，我建议您仔细阅读它们，如果您有兴趣使用它们来调整模型！

— 蜜蜂2016年

我正在描绘一个病态的遗传算法，该算法在过度调音时会非常愉快地捕捉字符串。

— 拉姆罗德'16

如@octopus所述，使用实际的物理设备很难做到这一点，除非您愿意长时间让计算机物理控制您要调整的设备，即使您需要一些“监护”程序来监视并根据性能对每个控制器评分，并验证它不会损坏机器。总而言之，这是一个相对复杂的任务，需要大量阅读遗传算法才能实现，这绝非易事。

— 蜜蜂2016年

我对您所说的遗传算法感到困惑。PD，PID 等控制器不是启发式方法也不是随机方法，它们也不基于进化算法。相反，它们是确定性算法，旨在允许放置系统响应的零点和零点以提供所需的性能（最小化错误，响应速度，建立时间，稳定性和干扰抑制）。我认为，Kuo的《自动控制系统》一书是一个很好的学习参考。您可以在Raven的《自动控制工程》一书中找到不太严格的处理方法。

— 史蒂夫·奥
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我不熟悉遗传算法（GA）。我刚刚看到一些论文声称其控制器的调整部分是通过使用GA完成的。他们的论文中没有关于此问题的更多细节。我不知道什么是通用航空以及如何利用它。

— CroCo '16

使用进化方法进行参数调整是一种非常常见的技术。我认为这是您所描述的分析方法的替代方法。

— 雅各布