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(duì)象，針對(duì)該控制對(duì)象的非線性、大遲延的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，設(shè)計(jì)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(lái)消除其延遲時(shí)間。通過(guò)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(shí)間、提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，具有更好的動(dòng)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(hào)：TP273? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：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(huì)對(duì)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(duì)于中央空調(diào)的控制要求不斷提高。

由于自動(dòng)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(jiǎn)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(jiǎn)單、參數(shù)容易整定，可以適用于大多數(shù)工業(yè)控制的場(chǎng)合。但由于中央空調(diào)溫度控制具有延遲時(shí)間比較長(zhǎng)、運(yùn)行過(guò)程中模型的參數(shù)經(jīng)常會(huì)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(lái)提高中央空調(diào)運(yùn)行時(shí)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(jì)

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(huì)受到抗原的信息，然后B細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生消除抗原的抗體。機(jī)體內(nèi)的輔助細(xì)胞TH會(huì)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(huì)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(shí)體內(nèi)TS會(huì)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(guò)一段時(shí)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(lái)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(lái)表示控制系統(tǒng)的控制器輸出u;用抗原的代數(shù)k來(lái)表示第k個(gè)采樣時(shí)刻從而得到：

將（2）式中設(shè)計(jì)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(gè)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(duì)非線性對(duì)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(guò)構(gòu)造一個(gè)一個(gè)雙輸入單輸出的二維模糊控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體的模糊規(guī)則可以按照生物的免疫原理來(lái)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(guò)預(yù)估反饋信息，來(lái)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(duì)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(gè)Smith預(yù)估補(bǔ)償模型，這個(gè)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(shí)候同時(shí)還讓系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)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(duì)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(shí)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(duì)人工構(gòu)的模型與原被調(diào)對(duì)象的傳遞函數(shù)之間誤差變化過(guò)于敏感，一旦控制系統(tǒng)的模型發(fā)生變化，就會(huì)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(guò)程中的應(yīng)用十分有限。而本次設(shè)計(jì)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(duì)象中遲延環(huán)節(jié)對(duì)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(duì)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(duì)象，該系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)會(huì)受各種因素的影響，是一個(gè)典型的非線性、時(shí)變性、禍合性、大慣性及受多種擾動(dòng)因素影響的控制系統(tǒng)。通過(guò)分別對(duì)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(duì)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(shí)間的變化量，本文采用matlab軟件對(duì)設(shè)計(jì)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(hào)取典型的階躍信號(hào)，其幅值變化為在時(shí)間為0秒的時(shí)刻溫度設(shè)定值從0到1，依據(jù)本次設(shè)計(jì)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(duì)本文的空調(diào)溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，并對(duì)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(duì)象延遲時(shí)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(jì)的免疫PID-Smith控制系統(tǒng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間更短、穩(wěn)定性更好。說(shuō)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(yǔ)

本文在常規(guī)PID控制算法的基礎(chǔ)上，針對(duì)溫度控制系統(tǒng)普遍存在的大延遲特性會(huì)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(lái)消除系統(tǒng)中對(duì)象的延遲時(shí)間，又針對(duì)Smith控制過(guò)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(guò)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(jì)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(jì)算機(jī)信息，2009.