一種新型的人工氣候室免疫控制方法

李廣明, 譚薇薇

(1.吉林省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院,吉林長(zhǎng)春 130012;2.深圳天亞建筑環(huán)境科技有限公司,廣東深圳 518026)

0 引 言

人工氣候室是一個(gè)模擬室內(nèi)外環(huán)境、為許多產(chǎn)品或構(gòu)件提供熱工性能測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)裝置。由于某些特殊要求,如不準(zhǔn)產(chǎn)生強(qiáng)制空氣擾動(dòng)等,則使得控制過(guò)程產(chǎn)生較大的滯后,為過(guò)程控制帶來(lái)困難。針對(duì)此類滯后問(wèn)題的研究已經(jīng)很多,智能控制方法[1]也很多,但多數(shù)是仿真研究。人工免疫控制[2]是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的又一新型智能控制方向。借鑒生物免疫系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)、抗原記憶、免疫響應(yīng)等功能[3],用于解決帶有大滯后環(huán)節(jié)的控制問(wèn)題,顯示出了很大的優(yōu)越性。

1 人工氣候室結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

文中以電加熱器測(cè)試方法中[4]要求的人工氣候室為例,分析它的對(duì)象特征及相應(yīng)的控制方案。

人工氣候室結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 人工氣候室結(jié)構(gòu)原理

人工氣候室是由6面保溫墻體制成,室內(nèi)分為冷室與熱室。被測(cè)試的設(shè)備為家用電加熱器,放置在熱室內(nèi),測(cè)試期間要求熱室恒溫在(23±0.5)℃。冷室模擬室外環(huán)境溫度,溫度設(shè)定根據(jù)測(cè)試電加熱器的功率確定。冷室內(nèi)的制冷量要與熱室內(nèi)被測(cè)電加熱器的散熱量保持平衡,從而保證熱室溫度的恒定。冷熱室之間的能量交換主要有兩個(gè)渠道:一是兩室之間的窗戶(導(dǎo)熱系數(shù)不大于3 W/(m2K));二是兩室之間的通氣孔(每小時(shí)換氣量為一個(gè)熱室體積)。熱室內(nèi)不準(zhǔn)產(chǎn)生強(qiáng)制擾動(dòng)。

分析人工氣候室的動(dòng)態(tài)傳熱過(guò)程,如圖2所示。

圖2 人工氣候室換熱過(guò)程原理框圖

顯然,此被控對(duì)象的主要特點(diǎn)是:冷室的制冷量與熱室的加熱量對(duì)溫控點(diǎn)都具有不同程度的滯后,熱室的滯后最大(室內(nèi)不允許強(qiáng)制擾動(dòng));對(duì)象的慣性大,冷室的制冷量與熱室的加熱量對(duì)溫控點(diǎn)都具有不同程度的慣性,尤其是冷室的冷量對(duì)熱室的溫控點(diǎn)具有非常大的慣性;干擾量變化大,放置在熱室中的被測(cè)電加熱器是本控制系統(tǒng)中的主要干擾量。它的負(fù)荷變化大(300～1500 W),熱室溫度要保持恒定,冷室的負(fù)荷變化也要隨之產(chǎn)生很大的變化(溫度變化范圍為-27～8℃)[5];冷、熱室之間的溫度調(diào)節(jié)存在著交聯(lián)偶合關(guān)系。此系統(tǒng)的溫度恒定控制不是太大的難題,但是如果要求在最短的時(shí)間內(nèi)將溫度穩(wěn)定,在控制策略上則大有文章可做。

文中結(jié)合人工氣候室的特點(diǎn),采用了冷室溫度多態(tài)控制與熱室溫度免疫控制相結(jié)合的控制方案[4],并重點(diǎn)介紹熱室免疫控制方案。

2 免疫調(diào)節(jié)原理

生物免疫系統(tǒng)中最重要的細(xì)胞是淋巴細(xì)胞,主要有B和T兩類淋巴細(xì)胞。免疫響應(yīng)過(guò)程是免疫細(xì)胞對(duì)抗原(Antigen)的識(shí)別、活化和分化效應(yīng)的過(guò)程,有體液免疫和細(xì)胞免疫兩種。在免疫響應(yīng)中,主要是通過(guò)T細(xì)胞不同亞群間的相互作用來(lái)完成的。其中,T h(helper T-cell)細(xì)胞和Ts(suppressor T-cell)細(xì)胞是兩種較為重要的免疫調(diào)節(jié)細(xì)胞。

以體液免疫響應(yīng)為例,抗原由抗原呈遞細(xì)胞(Antigen Presenting Cell,APC)消化,首先活化Th細(xì)胞,并釋放淋巴因子,進(jìn)而活化B細(xì)胞產(chǎn)生抗體(Antibody),APC呈遞的抗原還能緩慢地活化T s細(xì)胞,活化的Ts細(xì)胞可以對(duì) Th細(xì)胞和B細(xì)胞產(chǎn)生抑制作用,以保證免疫系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

免疫響應(yīng)過(guò)程中T細(xì)胞的調(diào)節(jié)作用見表1。

表1 免疫響應(yīng)過(guò)程中T細(xì)胞的作用

從表1可以看出,免疫響應(yīng)的不同階段T細(xì)胞的作用是不同的。免疫響應(yīng)初期,抗原濃度大而抗體濃度小時(shí),Th起主要作用,響應(yīng)過(guò)程將受到促進(jìn);免疫響應(yīng)后期,抗原濃度小而抗體濃度大時(shí),Ts起主要作用,響應(yīng)過(guò)程受到抑制以保證免疫系統(tǒng)的穩(wěn)定性?？乖瓭舛群涂贵w濃度都小時(shí),達(dá)到免疫穩(wěn)定階段,免疫響應(yīng)結(jié)束。當(dāng)某種病原體初次入侵抗體時(shí),如果某些 T細(xì)胞和B細(xì)胞對(duì)這些抗原具有高度親和力,則觸發(fā)免疫應(yīng)答,即初次免疫應(yīng)答。B細(xì)胞不僅與抗原相互作用,而且彼此之間也存在刺激和抑制作用。

體液免疫響應(yīng)過(guò)程如圖3所示。

圖3 體液免疫B細(xì)胞響應(yīng)過(guò)程示意圖

在初次免疫響應(yīng)之后,一些 B細(xì)胞能夠分化成生命期較長(zhǎng)的B記憶細(xì)胞,它們保持住抗原的特征,并被保留下來(lái)成為記憶細(xì)胞,即形成免疫記憶。當(dāng)同樣的抗原或者其變種再次入侵生物體時(shí),記憶細(xì)胞將預(yù)先被免疫系統(tǒng)選擇出來(lái)(記憶細(xì)胞選擇過(guò)程),迅速活化、增殖、分化為效應(yīng)細(xì)胞,產(chǎn)生比原始細(xì)胞的抗體具有更高親和力的抗體,在免疫記憶的基礎(chǔ)上更迅速地應(yīng)答,即二次免疫應(yīng)答,從而執(zhí)行高效而持久的免疫功能。

生物免疫系統(tǒng)雖然很復(fù)雜,但是其呈現(xiàn)出來(lái)的抵御抗原的自適應(yīng)能力卻是十分明顯的。免疫優(yōu)化算法正是基于這個(gè)原理,將外來(lái)侵犯的抗原和免疫系統(tǒng)產(chǎn)生的抗體分別與實(shí)際求解問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)以及問(wèn)題的解相對(duì)應(yīng)。將控制系統(tǒng)中所存在的未知或者擾動(dòng)類比于外界入侵對(duì)人體進(jìn)行攻擊的抗原。在自我調(diào)節(jié)、抗原記憶、免疫響應(yīng)等方面宏觀性地比較適應(yīng)性控制和免疫學(xué)的相似之處,并給出了任何試圖在適應(yīng)性控制方面模擬這個(gè)過(guò)程的嘗試都應(yīng)該遵循的總的原則:識(shí)別抗原并設(shè)計(jì)抗體來(lái)消滅它們。用數(shù)學(xué)形式表示就是通過(guò)分解抗原到已知的抗原子集來(lái)識(shí)別它,而抗體就是這些子集的非集。

3 帶記憶環(huán)節(jié)的P型免疫控制器

3.1 免疫P控制器

雖然Ts細(xì)胞對(duì)Th細(xì)胞和B細(xì)胞都有抑制作用,但T s的抑制作用集中表現(xiàn)在對(duì)B細(xì)胞的抑制作用上。由于抗原的入侵,B細(xì)胞一方面受到Th細(xì)胞的活化作用,另一方面也受到T s細(xì)胞的抑制作用(見圖3)。第k代B細(xì)胞的濃度可以表示為:

第k代Th,Ts細(xì)胞濃度可以表示為:

第k-d代B細(xì)胞變化的濃度可以表示為:

式中:B(k)——第k代B細(xì)胞濃度;

Th(k)——第k代輔助T細(xì)胞濃度;

T s(k)——第k代抑制T細(xì)胞濃度;

ε(k-d)——第(k-d)代抗原濃度;

K1——Th細(xì)胞的促進(jìn)因子;

K2——Ts細(xì)胞的抑制因子;

ΔB(k-d—)B細(xì)胞第(k-d)代的濃度變化;

d— 免疫響應(yīng)的延遲時(shí)間;

f[·]——非線性函數(shù),與B細(xì)胞的濃度變化有關(guān),表示在第(k-d)代時(shí),B細(xì)胞分泌的抗體與抗原相互作用后的免疫效果。

生物免疫P型控制器的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中:K=K1;

η——Ts與 Th作用的比例系數(shù),η=K2/K1;

λ——響應(yīng)過(guò)程中的免疫促進(jìn)(λ=-1)、免疫抑制(λ=1)和免疫穩(wěn)定(λ=0),即不同階段的免疫調(diào)節(jié)作用。

λ,η,f(·)的確定參見文獻(xiàn)[5]。

將式(1)中的抗原、細(xì)胞濃度用控制系統(tǒng)中的偏差、控制量代換,可得到控制系統(tǒng)的免疫P型控制器,其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中:u(k)——控制量;

e(k)——偏差值;

Δu(k)——控制變化量;

d— 系統(tǒng)響應(yīng)延遲時(shí)間。

在文獻(xiàn)[6]及其它文獻(xiàn)中,對(duì)免疫P型控制器作了理論和仿真研究,文中則根據(jù)抗原記憶、免疫響應(yīng)原理設(shè)計(jì)一種新穎的帶記憶環(huán)節(jié)的免疫P型控制器。

3.2 記憶型免疫P控制器

B細(xì)胞在初次免疫應(yīng)答以后分化成記憶細(xì)胞,記憶抗原的特征。B細(xì)胞在二次免疫應(yīng)答時(shí),在免疫記憶的基礎(chǔ)上迅速地應(yīng)答。由此可得到帶記憶的生物免疫P型控制器的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中:B[i]——某一特定抗原的免疫記憶細(xì)胞。

根據(jù)式(3)的原理在式(2)中引入免疫記憶機(jī)制。系統(tǒng)初調(diào)節(jié)時(shí),根據(jù)干擾量的特點(diǎn)(類似于不同的抗原)確定二次應(yīng)答免疫記憶基值。在后來(lái)的每次應(yīng)答響應(yīng)后,重新修改免疫記憶基值,以備下次應(yīng)答響應(yīng)使用。帶記憶的免疫P型控制器公式為:

式中:u[i]——對(duì)應(yīng)某特定擾量的免疫記憶基值;

U(ki)——對(duì)應(yīng)某特定擾量的控制量。

免疫控制器在系統(tǒng)未進(jìn)入穩(wěn)態(tài)前,控制器的非基值部分體現(xiàn)免疫調(diào)節(jié)作用,抵抗外部擾量。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后,記憶當(dāng)前的輸出值,并作為下一次應(yīng)答的免疫記憶基值。

4 參數(shù)整定與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

在人工氣候室熱室的溫度控制中,采用帶記憶的免疫P型控制器,熱室要求恒溫控制在(23±0.5)℃。被測(cè)電加熱器為系統(tǒng)的最大擾量,控制目標(biāo)是在最短的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定在要求的溫度范圍內(nèi)[7]。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的滯后較大,故盡量減小過(guò)渡過(guò)程的超調(diào)量,以免波動(dòng)太大會(huì)使得過(guò)渡過(guò)程時(shí)間太長(zhǎng)。

下面介紹免疫控制器中各參數(shù)的整定情況。

1)初調(diào)節(jié)參數(shù)整定時(shí)記憶首次穩(wěn)定時(shí)干擾量(被測(cè)加熱器)的功率和穩(wěn)定時(shí)的控制量,作為下次控制系統(tǒng)響應(yīng)的免疫記憶基值。

2)免疫控制器比例系數(shù)K值按照比例調(diào)節(jié)器的經(jīng)驗(yàn)試湊法現(xiàn)場(chǎng)整定。

3)免疫抑制與活化比[5]η取值為0.5。

4)免疫促進(jìn)λ現(xiàn)場(chǎng)整定[5]關(guān)系如下:

①當(dāng)偏差∣e∣≥1.5時(shí),λ=-1為免疫促進(jìn)階段;

②當(dāng)偏差 0.5≤∣e∣≤1.5時(shí),λ=1為免疫抑制階段;

③當(dāng)偏差∣e∣≤0.5時(shí),λ=0為免疫穩(wěn)定階段。

5)本系統(tǒng)有較大的滯后環(huán)節(jié)(現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)滯后時(shí)間約150 s),免疫控制器的響應(yīng)延遲時(shí)間d現(xiàn)場(chǎng)整定為12個(gè)采樣周期(采樣周期定為10 s)。

6)免疫控制器的調(diào)節(jié)函數(shù)選擇為對(duì)稱的非線性函數(shù):

系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 熱室溫度過(guò)渡過(guò)程曲線

其中,穩(wěn)定后位于上部的曲線為熱室溫度過(guò)渡過(guò)程曲線,下部的曲線為帶記憶免疫P型控制器輸出的控制量曲線。

5 結(jié) 語(yǔ)

利用生物免疫系統(tǒng)初次應(yīng)答中的免疫反饋機(jī)制進(jìn)行調(diào)節(jié)及在二次應(yīng)答中利用其記憶的抗原特征,快速實(shí)現(xiàn)免疫系統(tǒng)平衡的機(jī)理,非常適合于類似人工氣候室一類的大慣性、大滯后及不確定性對(duì)象的控制。尤其是免疫記憶的二次應(yīng)答功能與PID調(diào)節(jié)器的記憶功能相比,在此類對(duì)象的控制中更凸顯其優(yōu)越性。

人工氣候室在產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)中是一個(gè)非常重要的設(shè)備,它模擬的人工氣候的精度直接決定了設(shè)備檢驗(yàn)的質(zhì)量,因此,它的準(zhǔn)確控制是非常重要的。文中介紹的人工免疫在溫度控制系統(tǒng)中的成功應(yīng)用,為解決人工氣候室的大慣性、大滯后的問(wèn)題開拓了一個(gè)新的途徑。

[1]季春光,王朋,李士勇,等.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)變大滯后系統(tǒng)的Smith預(yù)估控制[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,35(3):303-306.

[2]Ishida Y,Adachi N.Active noise control by an immune algorithm:adaptation in immune system as an evolution[J].Proc ICEC,1996(3):150-153.

[3]Ootsuki I T,Sekiguchi T.Application of the immune system reaction mechanism concept to sequential Control[C]//Proceedings of Emerging Technologies&FactoryAutomation.France:[s.n.],1999:1391-1396.

[4]佚名.GB/T15470-2002家用直接作用式房間電加熱器性能測(cè)試方法[S].北京:[s.n.],2002.

[5]譚薇薇.人工免疫控制在電加熱器測(cè)試裝置中的應(yīng)用研究[D]:[碩士學(xué)位論文].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2005.

[6]丁永生,任立紅.一種新穎的模糊自調(diào)整免疫反饋控制系統(tǒng)[J].控制與決策,2000,15(4):443-446.

[7]中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì),中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB4706.1-2005/IEC60335-12004家用和類似用途電器的安全[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005