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研究了用混合遗传算法求解时间最优控制问题。混合遗传算法是用粒子群位移转移的思想改变遗传算法的变异规则,通过记录各染色体的历史最优值和种群的最优值,来修正下一代的染色体,新的算法保留了遗传算法的选择和交叉操作,保证了遗传算法强大的全局搜索性能,该算法可求解数学优化问题。在分析时间最优控制问题已有求解方法优缺点的基础上,提出基于混合遗传算法求解时间最优控制问题的直接方法,为了利用该算法求解时间最优控制问题,将约束作为惩罚项包括在目标函数中,以此构造适应度函数。对线性阻尼振子问题进行了数值仿真,仿真实例验证了该算法的有效性。
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20
1
1年5月
第18卷第3期
控 制
工
程
Control
Engineering
of
China
Mav
2
0
1
1
V01.18,No.3
文章编号:1671—7848(201
1)03-0417-03
基于混合遗传算法的时间最优控制问题求解
赵瑞艳,李树荣
(中国石油大学(华东)信息与控制工程学院,山东东营257061)
摘
要:研究了用混合遗传算法求解时间最优控制问题。混合遗传算法是用粒子群位移
转移的思想改变遗传算法的变异规则,通过记录各染色体的历史最优值和种群的最优值,来
修正下一代的染色体,新的算法保留了遗传算法的选择和交叉操作,保证了遗传算法强大的
全局搜索性能,该算法可求解数学优化问题。在分析时间最优控制问题已有求解方法优缺点
的基础上,提出基于混合遗传算法求解时间最优控制问题的直接方法,为了利用该算法求解
时间最优控制问题,将约束作为惩罚项包括在目标函数中,以此构造适应度函数。对线性阻尼
振子问题进行了数值仿真,仿真实例验证了该算法的有效性。
关键词:混合遗传算法;时间最优控韵I;罚函数法
中图分类号:TP
27
文献标识码:A
Time—Optimal
Control
Based
on
Hybrid
Genetic
Algorithm
ZHAO
Rui—yan,LI
Shu-rong
(College
of
Information
and
Control
Engineering,China
University
of
Petroleum.Dongying
257061.China)
Abstract:The
solving
of
constrained
time
optimal
control
problems
is
studied
by
using
a
hybrid
genetic
algorithm(HGA).HGA
is
a
kind
of
GA
in
which
the
position
displacement
idea
of
the
particle
swarm
optimization(PSO)is
applied
to
change
the
mutation
operation
rule,and
fix
the
next
generation
of
chromosomes
by
recording
the
history
optimal
value
of
each
chromosome
and
the
optimal
value
of
population.In
this
way,the
new
algorithm
retains
the
selection
and
crossover
operations
to
ensure
the
powerful
global
search
perform—
ance
of
the
genetic
algorithm.The
HGA
can
be
applied
to
solve
mathematical
optimization
problems.A
direct
method
for
solving
time
optimal
control
problems
is
proposed
on
the
basis
of
an
analysis
of
the
advantages
and
disadvantages
of
the
existing
algorithms.To
real—
ize
it
in
solving
constrained
time
optimal
eontrol
problems,one
construct
the
fitness
function
by
including
the
constraints
in
the
objective
function
as
penalty
terms.A
numerical
simulation
for
the
problem
of
linear
damped
oscillator
shows
the
effectiveness
of
the
proposed
method.
Key
words:hybrid
genetic
algorithm;time
optimal
control;penalty
functions
1
引
言
时间最优控制是工程实践中经常遇到的一类最
优控制问题,例如惯性导航系统中的快速对准问
题,导弹控制中的快速转接问题等。时间最优控制
问题核心是选择控制函数“(t),使得被控系统在最
短时间内从初态达到指定终态。时间最优控制可应
用古典变分法和庞特里雅金最大值原理进行分析求
解,二阶系统还可结合相平面法求解川。但在实际
问题中,能求得解析解的仅是少数。近几年有关这
方面的成果较多,文献[2]利用欧拉折线法化连续
问题为离散问题,构造了求解工业机器人实时参数
最优控制的非线性规划方法,尽管很好地解决了参
数扰动,但对较复杂的情形,为达到一定的精度,
离散时间区域会形成规划变量的倍数增长。文献
[34]研究了时间最优控制的梯度计算法。笔者利
用龙格库塔格式的收敛性和最优性条件证明该方法
的收敛性。
本文借鉴粒子群算法的位移修改思想来改进遗
传算法的变异操作,并将此算法引入时间最优控制
问题。针对控制受约束的时间最优控制问题,将罚
函数与混合遗传算法法相结合,即利用罚函数法将
控制受约束的时间最优控制问题转化为无约束最优
控制问题,并通过参数化手段将无穷维的最优控制
问题化为有限维的非线性规划问题,最后用混合遗
传算法寻求全局最优解。
2时间最优控制问题
对控制受约束的时间最优控制问题(CP),求及
M∈U(石,u)及T=T(/2(·))∈(0,+ao),使得:
收稿日期:2009—12-08;
收修定稿日期:2010-01-31
基金项目:国家自然科学基金项目(60974039);国家科技重大专项“高温高盐油田提高采收率技术”课题(20082X0501)
作者简介:赵瑞艳(1981-),女,山东烟台人,博士,主要研究方向为最优化,最优控制与应用等;李树荣(1966.),男.教授.博士生导师。
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