【文章內(nèi)容簡介】 標函數(shù)轉(zhuǎn)化為基因組群 , 以適應(yīng)度函數(shù)為 優(yōu)化目標 , 通過基因操作得到下一代優(yōu)化基因組合 , 如此反復(fù)迭代 , 直到滿足最優(yōu)收斂目標為止。遺傳算法能得以廣泛應(yīng)用的原因是它對所優(yōu)化目標的先驗知識要求甚少 ,一般只需知道其數(shù)值關(guān)系即可 , 無需有連續(xù)性和可微性的限制，遺傳算法大大降低了優(yōu)化算法對于系統(tǒng)模型的要求 , 擴大了優(yōu)化算法的適用范圍。另一個重要原因是它的全局收斂性 ,由于遺傳算法群體的多樣性 , 使其盡可能在全方向上搜索 , 而且遺傳算法使用隨機規(guī)則進行操作 , 不是某個確定性的規(guī)則 , 因此可以很快達到最優(yōu)解附近 [12]。 遺傳算法基本原理 和傳統(tǒng)搜索算 法不同，遺傳算法從一組隨機產(chǎn)生的初始解，稱為“種群”，開始搜索過程。種群的每一個個體都是問題的一個解，稱為“染色體”。染色體是一串符號，比如一個二進制字符串。這些染色體在后續(xù)迭代中不斷進化，稱為“遺傳”。在每一代中用“適值”來測量染色體的好壞。生產(chǎn)的下一代染色體，稱為后代。后代是由前一代染色體通過交叉或變異運算形成的。新一代形成中，根據(jù)適值的大小選擇部分后代，淘汰部分后代，從而保持種群大小是常數(shù)。適值高的染色體被選中的概率較高。這樣經(jīng)過若干代之后，算法收斂于最好的染色體，紗線恒力控制器 8 它很可能就是問題的最優(yōu)解或次優(yōu)解 [12]。 基于遺傳算法的 PID 參數(shù)優(yōu)化 基于遺傳算法整定 PID 控制器的參數(shù)的步驟 （ 1）基因表達 首先，將決策變量編碼為二進制串，串長取決于需要的精度，即參數(shù)的范圍。一般由用戶自己定義，這樣才能使計算量盡量小。通過確立了二進制碼和參數(shù)之間的關(guān)系，就可以接下來進行解空間操作。 （ 2）選擇初始種群 待優(yōu)化參數(shù)為 , 用一定比特數(shù)的 0, 1 二進制碼對自變量進行編碼 , 形成基因碼鏈 , 每一個碼鏈代表一個個體 , 如 x 有 32 種可能取值XXX 3110 ,.........., , 則可以用 5 bit 的二進制碼 00000～ 11111 來表示 , 將 的基因組合在一起形成碼鏈 . t = 0, 隨機產(chǎn)生 n 個個體 , 形成一個群體 (t)P , 該群體代表優(yōu)化問題的一些可能解的集合 . 遺傳算法是從這些群體出發(fā) , 模擬進化過程 , 擇優(yōu)汰劣 , 最后選擇出優(yōu)秀的群體和個體 , 滿足目標函數(shù)的優(yōu)化要求 [13]. （ 3） 確定適值函數(shù) 為了篩選最優(yōu)解，需要建立 一個適應(yīng)度函數(shù)來評估控制量。將染色體的基因型轉(zhuǎn)換為表現(xiàn)型，即將二進制串轉(zhuǎn)化為十進制值，然后計算目標函數(shù)值，將目標函數(shù)值轉(zhuǎn)化為適值，適值函數(shù)值越大的，染色體性能越好，就越接近最優(yōu)解。 （ 4）遺傳算法的操作 初始的種群會經(jīng)過復(fù)制，交叉，變異，然后就產(chǎn)生了新的一代，而新的一代的每一個個體都會由適值函數(shù)來確定是否滿足了要求，如果不滿足則繼續(xù)進行操作直到最優(yōu)解為止。 KKK dip , KKK dip , 紗線恒力控制器 9 圖 31 遺傳算法流程圖 利用遺傳算法來對 進行優(yōu)化的具體步驟如下所示： （ 1）編碼，先確定編碼的長度和參數(shù)的范圍然后再進行編碼操作； （ 2）產(chǎn)生由 n 個體構(gòu)成的初始種群 P(0)，這個過程是隨機的； （ 3）將種群里的每一個個體都進行解碼，然后計算出每一個個體的適配度值 f； （ 4）對種群 P(t)進行遺傳操作（復(fù)制，交叉和變異），產(chǎn)生出下一代的種群 1) +P(t ； （ 5）重復(fù)步驟（ 3）和步驟（ 4），直到參數(shù)已經(jīng)收斂或者是達到了預(yù)定的指標值 [3]。 參數(shù)編碼與解碼 將 xj 由二進制轉(zhuǎn)為十進制可按下式計算： xj 的值域是 [aj ,bj ], 是所設(shè)定的二進制編碼的長度。公式如下所示： 參數(shù) 編碼 種群 1 計算適配值 滿足要求 遺傳操作 種群 2 尋優(yōu)結(jié)束 復(fù)制 交叉 變異 是 否 種群 1種群 2 KKK dip , mj 紗線恒力控制器 10 1)( 2 ????? md e c ima ljabs u b s tr in gax jjjjj 初始種群的構(gòu)建 確定整個種群的大小以及各個參數(shù)的二進制碼的長度：本文中選取種群的大小為 40， 的二進制碼長度分別都為 10，組合在一起構(gòu)成了長度為30的染色體，入表 31 所示： 表 31 PID 控制器參數(shù)染色體構(gòu)成 Kp Ki Kd 10 10 10 適應(yīng)度函數(shù)的確定 遺傳算法只需要依靠適應(yīng)度函數(shù)的大小來作為評判的標準，以種群里每一個個體的適應(yīng)度來進行判斷。適應(yīng)度函數(shù)主要取決于具體問題的目標函數(shù)，且滿足連續(xù)、單值、最大化、非負等要求。故我們選擇了時間乘誤差的絕對值積分（ ITAE），它是一個綜合的性能指標。如下公式所示： ?? ??0m in)( d ttetJ 當參數(shù) 發(fā)生變化的時候， ITAE 的值也會發(fā)生相應(yīng)變化，篩選找出 J的最小值，通過對 J 值得評判就可知尋優(yōu)何時結(jié)束。 （ 31） (32) KKK dip , KKK dip , 紗線恒力控制器 11 4 硬件電路設(shè)計 硬件電路功能分析 硬件電路主要是 A/D 轉(zhuǎn)換模塊、驅(qū)動電路模塊、存儲器模塊以及顯示模塊。其中 A/D 轉(zhuǎn)換電路用于紗線張力測量模塊中，主要功能是將電阻應(yīng)變片式張力傳感器和電橋輸出的模擬電壓轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號 ，輸入單片機。驅(qū)動電路用于紗線張力調(diào)節(jié)模塊中，主要是驅(qū)動直流電機，實現(xiàn)紗線張力的調(diào)節(jié) [14]。人機交互包括兩大部分：鍵盤輸入和液晶顯示。由于單片機片內(nèi) RAM 掉電后數(shù)據(jù)丟失，所以需要擴展一片 E2PROM，來永久保存張力設(shè)定值、張力標定值和張力測量值等數(shù)據(jù)。 A/D 轉(zhuǎn)換接口 本系統(tǒng)紗線測量模塊使用線性霍爾傳感器 KW3503，電壓的輸出范圍在V5~0 ? ，實際需要的分辨電壓為 。 ADC數(shù)字編碼的位數(shù)越多，其分辨率越高，但成本也越 高。綜合考慮本系統(tǒng)的實際需求、系統(tǒng)擴展、性能指標及成本因素，本系統(tǒng)最終采用 NS 公司出品的 ADC0809 作為 A／ D 轉(zhuǎn)換器件。 ADC0809 對于本系統(tǒng)具有較高的性價比，它是逐次比較 8位 8通道 A/D 轉(zhuǎn)化器，其硬件地址設(shè)計如表 1 所示： 紗線恒力控制器 12 表 1 地址碼與輸入通道的對應(yīng)關(guān)系表 地址碼 對應(yīng)的輸入通道 系統(tǒng)地址 ADD C ADD B ADD A 0 0 0 IN 0 4000H 0 0 1 IN 1 4100H 0 1 0 IN 2 4200H 0 1 1 IN 3 4300H 1 0 0 IN 4 4400H 1 0 1 IN 5 4500H 1 1 0 IN 6 4600H 1 1 1 IN 7 4700H ADC0809 與單片機接口設(shè)計 ADC0809 與 8051 單片機的硬件接口有三種方式：查詢方式、中斷方式和等待延時方式。本系統(tǒng) ADC0809 與單片機 SST 89E564RD 的接口選擇查詢方式，接口電路如圖 6— 1所示。由于 ADC0809 片內(nèi)無時鐘，可利用單片機提供的地址鎖存允許信號 ALE 經(jīng) D觸發(fā)器 74LS74 二分頻后獲得， ALE 引腳的頻率是 8051 單片機的 時鐘頻率的 1／ 6。單片機的晶振頻率采用 12MHz，則 ALE 引腳的輸出頻率為2MHz，再二分頻后為 1MHz，符合 ADC0809 對時鐘頻率的要求。地址譯碼引腳 A、B、 C 分別與地址總線的高 8 位 A A A10 相連，以選通 IN 0～ IN 7 中的一個紗線恒力控制器 13 通道。將 P2． 6(單片機地址總線次高位 A14)作為片選信號，因此通道 IN 0 的系統(tǒng)地址為 4000H，依次類推，通道 IN 7 的地址為 4700H。在啟動 A／ D 轉(zhuǎn)換時，由單片機的寫信號 WR和 P2． 7控制 ADC 的地址鎖存和轉(zhuǎn)換啟動。如圖 6— 1 所示，ALE 和 START 連在一起，因 此， ADC0809 在鎖存通道地址的同時也啟動轉(zhuǎn)換。在讀取結(jié)果時，用單片機的讀信號 RD和 P2． 7引腳經(jīng)或非門后，產(chǎn)生的正脈沖作為 OE 信號，用以打開三態(tài)輸出鎖存器。轉(zhuǎn)換結(jié)束后， EOC 輸出高電平，經(jīng)非門反向后，產(chǎn)生的負脈沖送至 P3． 3引腳供單片機查詢 [1]。 圖 41 ADC0809 與單片機接口電路圖 直流電機驅(qū)動電路 驅(qū)動電路的選型 單片機輸出的 PWM 波形，電壓范圍為 V5~0 ? ，不能