Original title: Evoluční návrh regulátorů jako benchmarking evolučních metod
Translated title: Evolutionary Controller Design as a Benchmarking of Evolutionary Algorithms
Authors: Michálek, Martin ; Dobrovský, Ladislav (referee) ; Matoušek, Radomil (advisor)
Document type: Bachelor's theses
Year: 2026
Language: cze
Publisher: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Abstract: [cze] [eng]
Bakalářská práce je zaměřena na aplikaci metaheuristických bio-inspirovaných algoritmů při návrhu parametrů regulátorů na vybraných dynamických systémech. Hlavním cílem je posoudit a~porovnat robustnost a~efektivitu evolučních a~hejnových algoritmů při hledání parametrů pro PID regulátor a~stavový LQI regulátor. Experimenty probíhaly na dvou dynamických modelech: stejnosměrný motor se zátěží spojenou pružnou hřídelí a~mechanická soustava pružina-hmotnost-tlumič. Optimalizace probíhala minimalizací čtyř odlišných kritérií -- ITAE, ISE, ITAE s~váženou penalizací kvadratické hodnoty akčního zásahu a~TIME kritéria, které je váženým součtem doby náběhu, doby ustálení a~překmitu. Každý algoritmus byl spuštěn s~25 nezávislými běhy. Výsledky byly vyhodnoceny z~hlediska rychlosti konvergence, robustnosti, kvality regulace a~porovnány s~klasickými návrhovými metodami, jako je Ziegler-Nichols, Tyreus-Luyben, IMC a~umístění pólů. Výsledky vykazují, že evoluční algoritmy konzistentně překonávají klasické návrhové metody u~všech zkoušených kombinací. Největšího zlepšení dosáhl LQI regulátor u~DC motoru, který zrychlil dobu náběhu přibližně čtyřikrát oproti Brysonovu pravidlu. Z~11 zkoušených algoritmů byl nejlepší RDE, za ním RDEx a DE. Varianty DE obecně dominovaly srovnání, zatímco genetický algoritmus byl nejhorší. Výběr účelové funkce výrazně ovlivnil charakter odezvy systému -- ISE konzistentně vedlo na nejrychlejší řešení za cenu vyššího překmitu, zatímco ITAE nacházelo rovnováhu mezi rychlostí a~přesností. This thesis focuses on the application of metaheuristic bio-inspired algorithms in designing controller parameters for selected dynamic systems. The primary objective is to evaluate and compare the robustness and efficiency of evolutionary and swarm algorithms to find optimal parameters for both a~PID and an LQI controller. The experiments were conducted on two dynamic models -- DC motor with a~load connected via a~flexible shaft and a~spring-mass-damper mechanical system. Optimization was performed according to four different criteria -- Integral of Time-weighted Absolute Error (ITAE), Integral of Squared Error (ISE), ITAE with added weighted squared value of action input and TIME criterion, which is weighted sum of rise time, settle time and overshoot. Each algorithm was subjected to 25 independent runs. Results were evaluated in terms of convergence speed, robustness, quality of regulation and compared with design methods like Ziegler-Nichols, Tyreus-Luyben, IMC. The results show that evolutionary algorithms consistently outperform classical design methods across all tested combinations. The greatest improvement was observed for the LQI controller applied to the DC motor, where the best evolutionary algorithm achieved approximately four times faster rise time compared to Bryson's rule. Among the 11 tested algorithms, RDE achieved the best overall ranking, followed by RDEx and DE. Variants of differential evolution generally dominated the comparison, while the genetic algorithm performed worst. The choice of objective function significantly influenced the character of the resulting response -- ISE consistently produced faster rise times at the cost of higher overshoot, while ITAE provided better balance between speed and accuracy.
Keywords: benchmarking; differential evolution; dynamic systems; evolutionary algorithms; evolutionary controller design; genetic algorithm; LQI; particle swarm optimization; PID; swarm intelligence; benchmarking; diferenciální evoluce; dynamické systémy; evoluční algoritmy; evoluční návrh regulátorů; genetický algoritmus; hejnová inteligence; LQI; optimalizace hejnem částic; PID

Institution: Brno University of Technology (web)
Document availability information: Fulltext is available in the Brno University of Technology Digital Library.
Original record: http://hdl.handle.net/11012/258448

Permalink: http://www.nusl.cz/ntk/nusl-776432


The record appears in these collections:
Universities and colleges > Public universities > Brno University of Technology
Academic theses (ETDs) > Bachelor's theses