免疫PID-Smith控制器在空調(diào)控制中的應(yīng)用

段宇 紀(jì)孟欣

摘? 要：文章以某房間的中央空調(diào)溫度控制系統(tǒng)為研究對象，針對該控制對象的非線性、大遲延的動態(tài)響應(yīng)特性，設(shè)計了具有一定自適應(yīng)能力的免疫PID控制器，并與Smith控制器相結(jié)合，來消除其延遲時間。通過matlab仿真結(jié)果表明，這種控制方法與常規(guī)PID控制方法相比較，可以縮短調(diào)節(jié)時間、提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有更好的動態(tài)調(diào)節(jié)特性。

關(guān)鍵詞：免疫PID;Simth算法;空調(diào)控制

中圖分類號：TP273? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）30-0161-02

Abstract： The research object is the central air conditioning temperature control system in this paper.Because the control object is the non-linear and large delay dynamic response， we design an immune PID controller with adaptive ability and combine with Smith controller to to eliminate its delay time. The Matlab simulation results show that compared with the conventional PID controller， it can shorten the adjustment time， improve the stability of the control system， and have better dynamic regulation characteristics.

Keywords： immune PID; Smith; air-conditioning control

1 概述

中央空調(diào)控制的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性會對空調(diào)的能耗以及舒適性等產(chǎn)生較大的影響。隨著智能建筑的不斷發(fā)展，人們對于中央空調(diào)的控制要求不斷提高。

由于自動化水平的不斷提高以及變頻器使用的不斷普及，空調(diào)的控制也由簡單的開關(guān)控制發(fā)展到了目前普遍采用的基于PID算法的變頻控制。而傳統(tǒng)的PID控制雖然算法比較簡單、參數(shù)容易整定，可以適用于大多數(shù)工業(yè)控制的場合。但由于中央空調(diào)溫度控制具有延遲時間比較長、運(yùn)行過程中模型的參數(shù)經(jīng)常會發(fā)生變化的特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)PID控制器經(jīng)常調(diào)節(jié)效果比較差。因此本文考慮在傳統(tǒng)PID控制的基礎(chǔ)上引入Smith控制和免疫控制，來提高中央空調(diào)運(yùn)行時的穩(wěn)定性、快速性及魯棒性等控制品質(zhì)指標(biāo)。

2 免疫PID控制器的設(shè)計

免疫是生物體的一種特別的生理反應(yīng)，當(dāng)病毒等由于生物的身體抵抗力較弱的原因侵入機(jī)體并不斷擴(kuò)散到周圍細(xì)胞后，T細(xì)胞會受到抗原的信息，然后B細(xì)胞會產(chǎn)生消除抗原的抗體。機(jī)體內(nèi)的輔助細(xì)胞TH會隨著進(jìn)入身體內(nèi)抗原的增多而增加，而抑制細(xì)胞TS會隨著進(jìn)入身體內(nèi)抗原的增多而減少，從而使B細(xì)胞的濃度不斷增加，機(jī)體的抵抗能力增強(qiáng)而使病毒等不斷減少，這時體內(nèi)TS會不斷增多并抑制了TH的產(chǎn)生而使B細(xì)胞也隨之減少。經(jīng)過一段時間后，機(jī)體內(nèi)B細(xì)胞的濃度和進(jìn)入體內(nèi)的病毒等便趨于平衡[1]。B細(xì)胞的濃度與抗原濃度的關(guān)系式為：

其中：K為促進(jìn)因子，η表示TS和TH作用的比例系數(shù);用非線性函數(shù)f（.）來表示細(xì)胞抑制抗原刺激的能力;S（k）和△S（k）分別表示B細(xì)胞的濃度和濃度變化。

根據(jù)上述免疫反饋原理，提出了免疫PID控制器：用抗原數(shù)量ε表示溫度控制系統(tǒng)的偏差e;用B細(xì)胞濃度S來表示控制系統(tǒng)的控制器輸出u;用抗原的代數(shù)k來表示第k個采樣時刻從而得到：

將（2）式中設(shè)計的免疫控制器與傳統(tǒng)的PID控制器相結(jié)合即可構(gòu)成免疫PID控制器，免疫PID控制器可以表示為：

（3）式中K'=K{1-ηf[u（k），△u（k）]}為免疫控制器的比例系數(shù)，Kp、Ki和Kd為PID控制器的參數(shù)。它的本質(zhì)上是一個非線性PID控制器。它與傳統(tǒng)PID控制器相比具有更好的魯棒性和對非線性對象的控制效果。本次免疫控制器中的非線性函數(shù)f（.）可以通過構(gòu)造一個一個雙輸入單輸出的二維模糊控制器來實(shí)現(xiàn)。具體的模糊規(guī)則可以按照生物的免疫原理來實(shí)現(xiàn)。既控制系統(tǒng)的誤差越大這模糊控制器的輸出也越大;控制系統(tǒng)的誤差越小那么模糊控制器的輸出也越小[2]。

3 免疫PID-Smith控制器

Smith預(yù)估控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式是把人造的數(shù)學(xué)模型引入控制回路， 通過預(yù)估反饋信息，來提高調(diào)節(jié)質(zhì)量。而實(shí)現(xiàn)Smith預(yù)估控制系統(tǒng)就必須知道被控對象準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，然后在調(diào)節(jié)器處并聯(lián)一個Smith預(yù)估補(bǔ)償模型，這個模型被稱為Smith預(yù)估器。在預(yù)估模型精確的控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)中不再有遲延環(huán)節(jié)，和常規(guī)控制系統(tǒng)相比，Smith預(yù)估控制系統(tǒng)在達(dá)到相同的控制回路穩(wěn)定性的時候同時還讓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間和調(diào)節(jié)品質(zhì)極大提升。在Smith預(yù)估系統(tǒng)中，遲延環(huán)節(jié)對控制回路不再有影響，保證了系統(tǒng)反饋通道的反饋信息能夠準(zhǔn)確、及時反饋到主回路的調(diào)節(jié)器。

但是由于Smith預(yù)估控制系統(tǒng)對人工構(gòu)的模型與原被調(diào)對象的傳遞函數(shù)之間誤差變化過于敏感，一旦控制系統(tǒng)的模型發(fā)生變化，就會導(dǎo)致調(diào)節(jié)效果嚴(yán)重惡化。所以單純的Smith預(yù)估控制系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)過程中的應(yīng)用十分有限。而本次設(shè)計的控制系統(tǒng)將免疫控制器與其結(jié)合使用，這樣既具有傳統(tǒng)Smith控制器可以消除大遲延大慣性控制對象中遲延環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)品質(zhì)的影響，又可以一定程度上彌補(bǔ)Smith預(yù)估控制器對參數(shù)變化敏感的不足。

4 Matlab仿真結(jié)果及分析

本文以某室內(nèi)空調(diào)溫度控制系統(tǒng)為對象，該系統(tǒng)在運(yùn)行時會受各種因素的影響，是一個典型的非線性、時變性、禍合性、大慣性及受多種擾動因素影響的控制系統(tǒng)。通過分別對空調(diào)系統(tǒng)的盤管特性及房間特性進(jìn)行分析及建模，得到該系統(tǒng)被控對象的傳遞函數(shù)[3]：

公式（4）中的傳遞函數(shù)G（s）反應(yīng)空調(diào)溫度系統(tǒng)中溫度隨時間的變化量，本文采用matlab軟件對設(shè)計的免疫PID-Smith控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，構(gòu)造的仿真框圖如圖1所示[4]。

輸入信號取典型的階躍信號，其幅值變化為在時間為0秒的時刻溫度設(shè)定值從0到1，依據(jù)本次設(shè)計的仿真圖，分別采用常規(guī)PID控制算法和免疫PID-Smith控制算法對本文的空調(diào)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，并對仿真結(jié)果進(jìn)行比較如圖2所示。

從圖2可以看出：免疫PID-Smith控制既具有Smith控制器可以消除控制對象延遲時間的影響;又具有免疫控制器調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。與常規(guī)的PID控制相比較，本次設(shè)計的免疫PID-Smith控制系統(tǒng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間更短、穩(wěn)定性更好。說明免疫PID-Smith控制在控制溫度控制中可以比常規(guī)PID控制取得更好的調(diào)節(jié)效果。

5 結(jié)束語

本文在常規(guī)PID控制算法的基礎(chǔ)上，針對溫度控制系統(tǒng)普遍存在的大延遲特性會使系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)變差的特點(diǎn)，引入了Smith控制來消除系統(tǒng)中對象的延遲時間，又針對Smith控制過分依賴模型精度的問題引入免疫控制器，并將其應(yīng)用到空調(diào)溫度控制系統(tǒng)中。通過matlab仿真結(jié)果表明，免疫PID-Smith控制器與常規(guī)PID控制器相比較具有更快的響應(yīng)速度以及調(diào)節(jié)更加穩(wěn)定，可以應(yīng)用到具有非線性、大遲延的溫度控制系中。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜繼民.免疫控制器的優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用[D].河南科技大學(xué)，2012.

[2]趙恒.免疫策略優(yōu)化模糊系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)溫度控制算法研究[D].西安電子科技大學(xué)，2006.

[3]楊揚(yáng).基于Simth-Fuzzy-PID控制策略的TL環(huán)節(jié)控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].蘭州理工大學(xué)，2018.

[4]文定都，曾紅兵，李毅梅.一種新穎的模糊免疫PID在溫度控制中的研究[D].微計算機(jī)信息，2009.