差分进化算法及应用研究

湖南大学硕士学位论文差分进化算法及应用研究姓名：吴亮红申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：王耀南20070310硕士学位论文-I-摘要论文首先介绍了智能优化算法的产生对现代优化技术的重要影响，阐述了智能优化算法的研究和发展对现代优化技术和工程实践应用的必要性，归纳总结了智能优化算法的主要特点，简要介绍了智能优化算法的主要研究内容及应用领域。对差分进化算法的原理进行了详细的介绍，给出了差分进化算法的伪代码。针对混合整数非线性规划问题的特点，在差分进化算法的变异操作中加入取整运算，提出了一种适合于求解各种混合整数非线性规划问题的改进差分进化算法。同时，采用时变交叉概率因子的方法以提高算法的全局搜索能力和收敛速率。用四个典型测试函数进行了实验研究，实验结果表明，改进的差分进化算法用于求解混合整数非线性规划问题时收敛速度快，精度高，鲁棒性强。采用非固定多段映射罚函数法处理问题的约束条件，提出了一种用改进差分进化算法求解非线性约束优化问题的新方法。结合差分进化算法两种不同变异方式的特点，引入模拟退火策略，使算法在搜索的初始阶段有较强的全局搜索能力，而在后阶段有较强的局部搜索能力，以提高算法的全局收敛性和收敛速率。用几个典型Benchmarks函数进行了测试，实验结果表明，该方法全局搜索能力强，鲁棒性好，精度高，收敛速度快，是一种求解非线性约束优化问题的有效方法。为保持所求得的多目标优化问题Pareto昀优解的多样性，提出了一种精英保留和根据目标函数值进行排序的多目标优化差分进化算法。对排序策略中目标函数的选择方式进行了分析和比较，并提出了一种确定进化过程中求得的精英解是否进入Pareto昀优解集的阈值确定方法。用多个经典测试函数进行了实验分析，并与NSGA-Ⅱ算法进行了比较。实验结果表明，本文方法收敛到问题的Pareto前沿效果良好，获得解的散布范围广，能有效保持所求得的Pareto昀优解的多样性。提出了一种新的基于群体适应度方差自适应二次变异的差分进化算法。该算法在运行过程中根据群体适应度方差的大小，增加一种新的变异算子对昀优个体和部分其它个体同时进行变异操作，以提高种群多样性，增强差分进化算法跳出局部昀优解的能力。对几种典型Benchmarks函数进行了测试，实验结果表明，该方法能有效避免早熟收敛，显著提高算法的全局搜索能力。提出了将该改进算法用来整定不完全微分PID控制器昀优或近似昀优参数的新方法。为克服频域中常用的积分性能指标如IAE，ISE和ITSE的不足，提出了一种新的时域性能指标对控制器性能进行测试和评价。用三个典型的控制系统对提出的ASMDE-PID控制器进行了测试。实验结果表明，该方法实现容易，收敛性能稳定，计算效率高。与ZN，GA和ASA方法相比，DE在提高系统单位阶跃响应性能方面效率更高，鲁棒性更强。为了提高差分进化算法的全局搜索能力和收敛速率，提出了一种双群体伪并行差分差分进化算法及应用研究-II-进化算法。该算法结合差分进化算法DE/best/2/bin变异方式局部搜索能力强，收敛速度快，和DE/rand/1/bin变异方式全局搜索能力强，鲁棒性好的特点，采用串行算法结构实现并行差分进化算法独立进化、信息交换的思想。为使初始化个体均匀分布在搜索空间，提高算法收敛到全局昀优解的鲁棒性，提出了一种基于平均熵的初始化策略。典型Benchmarks函数测试和非线性系统模型参数估计结果表明，该方法能显著提高算法的收敛速率和全局搜索能力。基本差分进化算法的控制参数在进化过程中是保持不变的，对于不同的优化问题要确定合适的控制参数是件不容易的事。根据生成差分矢量的两个不同个体矢量在搜索空间中的相对位置，对缩放因子F提出了一种自适应策略；根据目标个体矢量的收敛情况，提出了一种自适应交叉概率CR策略，使适应度好的目标个体矢量的CR小而适应度差的目标个体矢量的CR大。同时，为提高算法的收敛速率，对基本差分进化算法的变异操作进行了改进，提出了一种新的变异操作。典型的Benchmarks函数测试及三关节平面冗余机械手的轨迹规划实验表明，本文提出的方法能显著提高算法的鲁棒性和收敛速率。关键词：差分进化算法；混合整数非线性规划；非线性约束优化；多目标优化；不完全微分PID；参数估计；冗余机械手硕士学位论文-III-AbstractThispaperfirstlyintroducedtheimportantimpactofintelligentoptimizationalgorithmsformodernoptimizationtechnique.Andthen,thenecessaryoftheresearchanddevelopmentofintelligentoptimizationtechniqueformodernoptimizationtechniqueandrealengineerapplicationisexpatiated.Lastly,thecharacteristicsofintelligentoptimizationalgorithmsareinduced,andtheapplicationareaesofintelligentoptimizationalgorithmsareintroducedbriefly.Thedifferentialevolutionalgorithm(DE)isintroducedindetail,andthepseudocodeofDEisgiven.Aimingtothecharacteristicsofmixed-integernonlinearprogramming(MINP),aroundingoperationwasaddedtothemutationoperator,andamodifieddifferentialevolution(MDE)algorithmfittedtotheMINPisproposed.Atthesametime,themethodoftime-varyingcrossoverprobabilityfactorwasadoptedtoimprovetheglobalsearchingabilityandconvergencespeedofMDE.Theexperimentsresearchingweredonebyfourclassictestingfunctions.TheexperimentresultsshowthattheMDEhasfastconvergencespeed,highprecisionandgoodrobustnessforsolvingMINP.Usingnon-stationarymulti-stageassignmentpenaltyfunctiontodealwiththeconstrainedconditions,amodifieddifferentialevolution(MDE)fornonlinearconstrainedoptimizationisproposed.Inordertoimproveglobalconvergenceandconvergencespeedofthealgorithm,twodifferentmutationschemeofDEwerecombined,andsimulationannealtacticswasadapted,whichensurethealgorithmhasgoodglobalexploringabilityatthebeginningstageandgoodlocalexploringabilityatthelaststage.SeveralclassicBenchmarksfunctionsweretested,theexperimentresultsshowthattheMDEhaspowerfulglobalexploringability,goodrobustness,highprecision,andfastconvergencespeed.Soitisaneffectivewayfornonlinearconstrainedoptimizationproblems.InordertopreservethediversityofParetooptimalityofmulti-objectiveoptimizationproblems(MOP),adifferentialevolutionalgorithmforMOPadoptingelitistarchiveandsortingtacticbasedonobjectivefunctionvalueispresented.Theselectionmethodstotheobjectivefunctioninthesortingtacticwereanalyzedandcompared.Andthesametime,athresholddeterminingwaywasproposedtodecidewhetheraelitistsolvefoundintheevolutionaryprocessaddedtotheParetosetornot.Theexperimentsweredoneusingseveralclassictestfunctions,andthecomparisonsweredonewithNSGA-Ⅱ.Theexperimentresultsshowthat,theproposedapproachcanconvergencetotheParetofrontandpreservethediversityofParetooptimalityefficiently,theobtainedoptimalityhaswiderbound.差分进化算法及应用研究-IV-Anewadaptivesecondmutationdifferentialevolutionalgorithm(ASMDE)basedonthevarianceofthepopulation’sfitnessispresented.Inordertoimprovethepopulation’sdiversityandtheabilityofbreakingawayfromthelocaloptimum,accordingtothevalueofthevarianceofthepopulation’sfitnessduringtherunningtime,anewmutationoperatorisadaptedtomutateboththebestindividualandpartialotherindividuals.SeveralclassicBenchmarksfunctionsaretested,theresultsshowthatthenewalgorithmcanavoidtheprematureconvergenceandimprovetheglobalconvergenceabilitygreatly.TheproposedASMDEwasappliedtooptimizeparametersofPIDcontrollerwithincompletederivation.ToovercomethedisadvantagesoftheintegralperformancecriteriainthefrequencydomainsuchasIAE,ISE,andITSE,anewperformancecriterioninthetimedomainwasproposed.ThreetypicalcontrolsystemswerechosentotestandevaluatetheadaptationandrobustnessoftheproposedDE-PIDcontroller.