【正文】 雖然算法設計。 基于 Delphi的控制器軟件優(yōu)化設計 對于算法的設計一般遵循如下方法：給出該道算法練習題構成一個完整 PASCAL 程序所需要的文件框架，即把編輯好的遺傳算法設計嵌入到一個 PASCAL程序中，在程序中別的窗體對應的 PASCAL 文件中加入調用嵌入算法 的 PASCAL 的語句，使其可以調用。 Delphi軟件在遺傳算法優(yōu)化參數(shù)中的應用 Delphi 軟件作為設計的開發(fā)平臺在遺傳算法優(yōu)化 PID 控制器參數(shù)中得到了應用。 29 Delphi 7 中有一個龐大的可視化組件庫 (VCL)，其中總共包括了一百多種組件，涉及程序設計的各個領域。 一般來講，組件是指一種通過公開的屬性、方法、事件，讓其他的程序設計者可以重復使用的一種經(jīng)過編譯的二進制文件，其文件名可以是 .OCX 或者是 .dll，如命令按鈕、復選框、單選框、滾動條等都是常見的組件。這就是基于組件的編程思想。 軟件開發(fā)迫切需要一個面向 Inter的異構體系，為軟件提供像 IC 電路元件一樣可插拔的標準封裝和復用方式的組件構造平臺。 接著，千呼萬喚始出來的 C++語言和面向對象技術，一時間成為我們的口頭語；絢麗多彩的 Windows 成為我們的棲息地； MFC 類庫及由其主導開發(fā)的各種桌面軟件成為 C++歷史上的極盛時期。在介紹組件編程之前，首先簡要地回顧一下軟件設計方法的發(fā)展史，以便更好地理解基于組件的編程思想。在 Delphi 中，大部分情況下都是對單元文 件進行編程，而幾乎不需要編輯 .dpr 文件。如果搞不清楚哪個單元對應哪個文件，可以選擇 View→Project Manager 來打開 Project Manager(項目管理器 )窗口。 End. 當向應用程序中添加表單和單元的時候，它們將出現(xiàn)在項目文件的 uses 子句中。 28 。 {$R *.res} begin 。39。下面是一個應用程序示例的項目文件： program Project1。項目文件中有程序的主要部分，與其他版本的 Pascal不同，大多數(shù)的編程工作都是在單元文件中完成的，而不是在主模塊中。 應用程序的項目文件也值得注意。其中的 “*”不代表通配符，而是表示與當前單元文件同名的文件。上面這一語句表示把*.Dfm(代表 Delphi 窗體 )文件鏈接到可執(zhí)行文件中。 Delphi 已經(jīng)清楚地標出了可以插入公共 (Pubic)和私有 (Private)變量的地方。 private { Private declarations } public { Public declarations } end。雖然每個窗體都對應 著一個單元文件，但并不是每個單元文件都對應著一個窗體。 var Form1: TForm1。Tobjeet)。 interface uses Windows, Messages, SysUtils, Variants, Classes, Graphics, Controls, Forms, Dialogs。 (6) 源 代碼生成器 當對窗體設計器中的可視化組件進行操作時， Delphi IDE 會自動生成 Object Pascal 源代碼。在代碼瀏 26 覽器中右擊一個節(jié)點即可以看到該節(jié)點的可用選項。通過代碼瀏覽器，可以方便地在單元文件中漫游或在單元文件中加入新的元素或者把已有的文件改名。當進行編輯的時候，快捷菜單提供了很多的選項，如關閉文件、設置書簽等。代碼編輯器類似于一個多頁的筆記本，每一頁對應著一個源代碼模塊或文件。 圖 45 按種類或名稱查看 Object Inspector Delphi程序員必須知道的、也最實用的一點是：幫助系統(tǒng)是和對象觀察器緊密結合在一起的，如果你想了解某個屬性或事件的幫助信息，只要在該屬性或事件上按下 F1 鍵，就可獲取相應的幫助。圖 45中并列顯示了兩個對象觀察器，左邊一個按種類排序，右邊一個按名字排序。 25 Delphi 7 還可以按對象的種類或名字的字母順序來排列對象觀察器的內(nèi)容。對象觀察器類似于一個帶標簽的多頁筆記本，包括 Properties 選項卡和 Events 選項卡，切換時只需在窗口上部單擊所需選項卡的標簽即可。屬性 (Property)是一些數(shù)據(jù)，如高度、顏色、字體等，它們決定了組件在屏幕上的外觀?？梢杂檬髽苏{整組件在窗體設計器上的位置和大小，還可以用對象觀察器和代碼編輯器來控制組件的外觀和行為。應用程序的用戶界面正是由窗體實現(xiàn)的。 對象選擇按鈕 選擇卡標簽 控件 導航按鈕 圖 44 Delphi 7 的組件面 (2) 窗體設計器 在創(chuàng)建新的項目時，窗體設計器是一個空白的窗口。 24 新建項目 打開文件 保存文件 全部保存 打開項目 添加項目 刪除項目 幫助 運行 暫停 跟蹤運行 單步運行 查看單元 查看窗體 切換 新建窗體 圖 43 Delphi 7 的工具欄 ③ 組件面板 組件面板 (如圖 44 所示 )是一個雙層工具欄，它包含了 IDE 中安 裝的所有的 VCL組件和 Active 組件。要做到這一點，只需拖動工具欄右部凸起的灰色條即可。在一個工具欄上右擊，再在彈出的菜單中選擇 Customize(定制 )命令，就可以增加或去掉一些按鈕。除了組件面板， IDE 有 6 個獨立的工具欄： Debug、 Desktops、 Standard、 View、 Inter 和Custom。 ② 工具欄 工具欄 (如圖 43 所示 )上的每個按鈕都實現(xiàn)了 IDE 的某項功能，諸如打開文件或創(chuàng)建項目等。 工具欄 菜單欄 組件面板 標題欄 圖 42 Delphi 7 的主窗口 ① 菜單欄 與其他 Windows 應用程序一樣，可以通過菜單欄創(chuàng)建、打開或保存文件、調用向導、查看其他窗口、修改選項等。它具有其他 Windows應用程序的主窗口所具有的一切功能。 下面分別對它們進行詳細的介紹。 從圖 41 可以看到 Delphi 7 的 IDE 主要包括 7 個部分：主窗口、組件面板、工具欄、 窗體設計器、代碼編輯器、對象觀察器 (Object Inspector)和代碼瀏覽器。 圖 41 Delphi7 的 IDE 23 當前流行的開發(fā)工具，比如 Delphi、 Visual C++、 Visual Basic、 C++ Builder 和PowerBuilder 等都給程序員提供了集成式開發(fā)環(huán)境，極大地提高了程序員的開發(fā)效率，縮短了程序的開發(fā)時間。 (IDE) IDE(Integrate Development Environment)即集成開發(fā)環(huán)境，是指通過單一的控制面板訪問所 有的開發(fā)工具：編輯器、調試器、對象管理器、編譯器、實時分析器、圖形信號分析器等。 當前 Delphi產(chǎn)品已經(jīng)由 CodeGear公司繼續(xù)發(fā)展，該公司是 Borland公司的全資子公司。 (8) 從 Delphi8開始 Delphi也支持 .Net框架下程序開發(fā)。 (7) Delphi使用獨特的 VCL類庫，使得編寫出的程序顯得條理清晰， VCL是現(xiàn)在最優(yōu)秀的類庫，它使得 Delphi在軟件開發(fā)行業(yè)處于一個絕對領先的地位。 Delphi既可用于開發(fā)系統(tǒng)軟件，也適合于應 用軟件的開發(fā)。 (5) 具有強大的數(shù)據(jù)存取功能。 開發(fā)人員不必再對諸如標簽、按鈕及對話框等Windows的常見部件進行編程。利用項目模板和專家生成器可以很快建立項目的構架，然后根據(jù)用戶的實際需要逐步完善。這樣，大大減少了對服務器的請求和網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)傳輸量，提高了應用處理的速度。在處理速度和存取服務器方面， Delphi的性能遠遠高于其他同類產(chǎn)品。 主要特點如下： (1) 直接編譯生成可執(zhí)行代碼，編譯速度快。 Delphi到今天已經(jīng)歷了 7代產(chǎn)品的發(fā)展歷程，每一代產(chǎn)品都是伴隨 Windows操作平臺的升級而升級。 Delphi使用了 Microsoft Windows圖形用戶界面的許多先進特性和設計思想，采用了可重復利用的完整的面向對象的程序語言（ ObjectOriented Language）、是當今最快的編輯器、擁有領先的數(shù)據(jù)庫技術。 即適應度函數(shù) F為： JF 1? (35) 確定遺傳算法的運行參數(shù) 根據(jù)實際的情況確定群體大小，遺傳代數(shù) T，交叉概率 Pc，變異概率 Pm和權值1? ， 2? ， 3? ， 4? 的大小。又為避免超調，采用了懲罰功能，即一旦產(chǎn)生超調，將超調作為最優(yōu)指標的一項，此時最優(yōu)指標為： If 0)( ?te utdttetuteJ ????? ? ? 34220 1 |))(|)(|)(|( ???? (34) 其中： 3? 為權值，且 14 ???? 。為獲取滿意的系統(tǒng)過渡過程動態(tài)特性，采用誤差絕對值時間積分性能指標作為參數(shù)選擇的最小目標函數(shù)，即選擇 IAE 準則在實際的應用中會因系統(tǒng)固有的飽和特性而導致系統(tǒng)不穩(wěn)定，為了防止控制量過大，在目標函數(shù)中加入控制量，即控制輸入的平方項。 公式計算： ) 00(10 1 ?? ??? xK p (32) 20 目標函數(shù)的選擇 衡量一個控制系統(tǒng)的指標有 3 個方面，即穩(wěn)定性、準確性和快速性。 考慮到要有充分的搜索空間，搜索效率，每個參數(shù)用 10位無符號二進制碼表示， 3個參數(shù)串接在一起構成遺傳空間中的個體。由于要尋優(yōu)的 PID參數(shù) Kp，Ki， Kd為實數(shù)值，故采用二進制編碼較為合適。 先來看看遺傳算法優(yōu)化參數(shù)的流程圖如圖 32 所示。 遺傳算法優(yōu)化 PID 參數(shù) 基于改進遺傳算法的 PID 參數(shù)自整定遺傳算 法在 PID 參數(shù)整定中涉及的主要問題有參數(shù)的編碼和譯碼、適應度函數(shù)設計、約束條件處理、選擇機制等。 PID 控制器的參數(shù)整定，可以不依賴于受控對象的數(shù)學模型。 ⑤ 運行與修正。 ④ 查表確定參數(shù)。因而，控制度總是大于 1 的，而且控制度越大，相應的采 樣 數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)的品質越差。通常采用誤差平方積分作為控制效果的評價函數(shù)。 ③ 選擇控制度。這時去掉積分作 用和微分作用，將控制選擇為純比例控制器，構成閉環(huán)運行。一般說 Ts應小于受控對象純延遲時間的十分之一。擴充比例度法適用于有自平衡特性的受控對象，是對連續(xù) 時間 PID 控制器參數(shù)整定的臨界比例度法的擴充。 先置微分時間 dT =0，逐漸加大 dT ，同時相應地改變 比例系數(shù)和積分時間，反 25 復試湊至獲得滿意的控制效果和 PID 控制參數(shù)。 ③ 整定微分環(huán)節(jié)。先將步驟 (1)中選擇 的比例系數(shù)減小為原來的 50～ 80%，再將積分時間置一個較大值，觀測響應曲線。 ② 整定積分環(huán)節(jié)。 整定步驟 (實驗湊試法的整定步驟為 “先比例，再積分，最后微分 ”) ① 整定比例控制。 下面來介紹最常用的參數(shù)整定方法： 實驗 湊試法 和 實驗 經(jīng)驗法。這些要求，對控制系統(tǒng)自身性能來說，有些是矛盾的。參數(shù)的選擇，要根據(jù)受控對象的具體特性和對控制系統(tǒng)的性能要求進行。對于有滯后的對象，往往都加入微分控制。對必須消除穩(wěn)態(tài)誤差的系統(tǒng)，應選擇包含積分控制的 PI 或 PID 控制器。在選擇數(shù)字 PID 參數(shù)之前，首先應該確定控制器結構。雖然有這些缺點， PID 控制器是最簡單的有時卻是最好的控制器 [3]。 PID 在控制非線性、時變、耦合及參數(shù)和結構不確定的復雜過程時，工作地不是太好。 因此，許多自身整定參數(shù)的 PID 控制器經(jīng)常工作在 自動整定模式而不是連續(xù)的自身整定模式。 ② 如果自整定是基于控制律的，經(jīng)常難以把由負載干擾引起的影響和過程動態(tài)特性變化引起的影響區(qū)分開來，因此受到干擾的影響控制器會產(chǎn)生超調，產(chǎn)生一個不必要的自適應轉換。閉環(huán)工作時，要求在過程中插入一個測試信號?，F(xiàn)在，自動整定或自身整定的 PID控制器已是商業(yè)單回路控制器和分散控制系統(tǒng)的一個標準。由于這些不足，采用 PID 的工業(yè)控制系統(tǒng)總是受產(chǎn)品質量、安全、產(chǎn)量和能源浪費等問題的困擾。在很多情況下，并不一定需要全部三個單元，可以取其中的一到兩個單元，但比例控制單元是必不可少的。它的傳遞函數(shù)為： )*)*/(11()(/)()( sTsTKsEsUsG dip ???? (31) 其中 Kp 為比例系數(shù)； Ti 為積分時間常數(shù)； Td 為微分時間常數(shù)。利用該方法進行PID 控制器參數(shù)的整定步驟如下： (1) 首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作； (2) 僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng) 對輸入的階躍響應出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期； (3) 在一定的控制度下通過公