自动控制系统广泛应用于现代工业生产以及国防工业等领域,而控制系统的稳定主要依赖控制器的调节。目前,控制方法种类繁多,包括PID控制、模糊控制、自适应控制、自抗扰控制等。其中,PID控制器以其结构简单、参数可调、鲁棒性强的特点被广泛用于过程控制中。PID控制器结构固定,只能进行参数调节,对于模型已知的线性系统的控制作用尚可满足,但是对于复杂、非线性控制系统往往不能达到较优的控制效果。控制器的设计包括结构和参数两大部分,参数调节需要在结构确定的前提下进行。目前,控制器结构优化方面的研究匮乏,参数优化主要通过设计人员基于传统控制理论的设计方法或者基于智能优化算法进行调节。由于控制器结构的限制,控制器的性能无法得到突破性改进,控制器的发展需打破设计经验的束缚,实现控制器结构的自动设计。智能优化算法是人类受自然界规律启发而设计求解复杂问题的优化算法,具有通用性强、适于并行计算、全局优化的特点。智能优化算法相比于传统优化算法的诸多优点,使其被越来越多地应用于控制系统的优化设计,有效改善了控制系统性能。智能优化为控制器结构和参数的自动设计提供了一种有效途径。为了实现控制器的自动设计,本文基于“库”的控制器设计思想,提出一种新型控制器,即结构优化控制器。“库”是控制器设计要素的集合,包括环节库、性能指标库、优化算法库和约束库。环节库中包括控制器结构组成的基本单元,性能指标库包括对控制器进行性能评价的各种指标,优化算法库包括多种对控制器的结构和参数进行搜索优化的算法,约束库包括实际控制系统的物理条件的限制因素对控制器运行或控制量作用范围的影响。本文的控制器设计过程是:从环节库中选择多个环节作为控制器结构的构件,用于后续的控制器结构优化;分析控制系统,考虑实际系统的约束条件,建立控制系统的仿真环境;然后以性能指标库中的某一指标作为优化目标函数;调用优化算法库中的某一算法优化结构和参数;将仿真优化出的控制器应用到实际控制系统,进行性能验证。PID控制器由比例、积分和微分三个典型环节并联构成,其环节的组合方式只是并联形式,本文提出了一种控制器结构优化设计方法。各控制环节不限于全并联的形式,而是可以串联、并联和反馈连接等形式的自由组合构成控制器结构,且每个环节包含一个环节参数,调用智能优化算法对组成控制器的结构和参数进行优化,本文提出了控制器结构的矩阵表示,用矩阵表示环节之间的连接关系,则结构优化体现为优化给定指标下的环节关系矩阵。选择不同的性能指标对多个典型线性系统(非最小相位系统、高阶系统和线性时变系统)进行仿真实验,并与现有的先进控制方法(2-DOF PID控制器、滑模控制器等)进行了比较。仿真结果表明,结构优化控制器综合性能更佳,系统超调量更小、上升时间和稳定时间更短,从而验证了该控制器设计方法的有效性和优越性。另外,本文还将该控制器用于磁悬浮球控制系统的控制中,发现结构优化控制器可实现磁悬浮球控制系统的快速、稳定控制,且与超前滞后校正控制器和2-DOF PID控制器相比具有明显的性能优势,验证了该方法在非线性系统控制中的可行性和优势。