مقاله طراحی کنترل‌کننده PID مرتبه کسری مبتنی بر بهینه سازی چند هدفه اکسترمال برای سیستم تنظیم‌ خودکار ولتاژ (2015 الزویر)

1. مقدمه

2. مقدمات

2-1. کنترل‌کننده PID مرتبه کسری

2-2. سیستم AVR

2-3. مسائل بهینه‌سازی چندهدفه

2-4. بهینه‌سازی اکسترمال

3. الگوریتم پیشنهادی

3-1. تعریف توابع چندهدفه

3-2. الگوریتم اصلی

الگوریتم طراحی کنترل‌کننده MOEO-FOPID

3-3. راهبرد تخصیص تناسب مبتنی بر پارتو

3-4. به‌روزرسانی آرشیو خارجی نخبه‌گرا

3-5. تحلیل الگوریتم پیشنهادی

4. نتایج تجربی

4-1. MOEO-FOPID و مقایسه عملکرد آن با دیگر الگوریتم‌های تکاملی استفاده‌شده برای طراحی FOPID

4-2. MOEO-PID و مقایسه عملکرد آن با MOEO-FOPID، NSGA-II-FOPID و NSGA-II-PID

4-3. آزمون پایداری(استواری)

4-3-1. عدم قطعیت ژنراتور

4-3-2. عدم قطعیت محرک

4-3-3. عدم قطعیت تقویت‌کننده

5. نتیجه گیری

Design of an effective and efficient fractional order PID (FOPID) controller, as a generalization of a standard PID controller based on fractional order calculus, for an industrial control system to obtain high-quality performances is of great theoretical and practical significance. From the perspective of multi-objective optimization, this paper presents a novel FOPID controller design method based on an improved multi-objective extremal optimization (MOEO) algorithm for an automatic regulator voltage (AVR) system. The problem of designing FOPID controller for AVR is firstly formulated as a multi-objective optimization problem with three objective functions including minimization of integral of absolute error (IAE), absolute steady-state error, and settling time. Then, an improved MOEO algorithm is proposed to solve this problem by adopting individual-based iterated optimization mechanism and polynomial mutation (PLM). From the perspective of algorithm design, the proposed MOEO algorithm is relatively simpler than NSGA-II and single-objective evolutionary algorithms, such as genetic algorithm (GA), particle swarm optimization (PSO), chaotic anti swarm (CAS) due to its fewer adjustable parameters. Furthermore, the superiority of proposed MOEO-FOPID controller to NSGA-II-based FOPID, single-objective evolutionary algorithms-based FOPID controllers, MOEO-based and NSGA-II-based PID controllers is demonstrated by extensive experimental results on an AVR system in terms of accuracy and robustness.

برای داشتن یک سیستم کنترل صنعتی با کارایی بالا، طراحی یک کنترل‌کننده PID مرتبه کسری (FOPID) کارا و مؤثر، به‌عنوان یک جزء کلی از کنترل کننده PID مبتنی بر محاسبات مرتبه کسری، از اهمیت نظری و عملی بالایی برخوردار است. از نقطه نظر بهینه‌سازی چندهدفه، این مقاله یک روش طراحی جدید کنترل‌کننده FOPID مبتنی بر الگوریتم بهینه‌سازی اکسترمال پیشرفته (MOEO) برای سیستم تنظیم خودکار ولتاژ (AVR) ارائه می کند. در ابتدا مسئله طراحی کنترل‌کننده FOPID برای AVR به‌عنوان یک مسئله بهینه‌سازی چندهدفه با استفاده از سه تابع هدف شامل کمینه سازی انتگرال قدر مطلق خطا (IAE)، خطای حالت ماندگارو زمان نشست، فرموله می شود. سپس الگوریتم MOEO بهبودیافته با اتخاذ مکانیسم بهینه‌سازی تکراری براساس جمعیت تکی و جهش چندجمله‌ای (PLM) برای حل این مسئله پیشنهاد می‌شود. از جنبه طراحی الگوریتم، الگوریتم MOEO پیشنهادشده به دلیل پارامترهای تنظیمی کمتر، از NSGA-II و الگوریتم‌های تکاملی تک هدفه مانند الگوریتم ژنتیک (GA)، بهینه‌سازی ازدحام ذرات (PSO)، ازدحام آشفتگی مورچگان (CAS) نسبتاً ساده‌تر است. به‌علاوه، برتری کنترل‌کننده FOPID مبتنی بر MOEO پیشنهادشده از لحاظ دقت و قدرتمندی نسبت به کنترل‌کننده FOPID مبتنی بر الگوریتم‌های تکاملی تک هدفه، NSGA-II و کنترل‌کننده PID مبتنی بر NSGA-II و MOEO به‌وسیله نتایج تجربی اثبات می گردد.