免疫PID-Smith控制器在空调控制中的应用

段宇 纪孟欣

摘  要：文章以某房间的中央空调温度控制系统为研究对象，针对该控制对象的非线性、大迟延的动态响应特性，设计了具有一定自适应能力的免疫PID控制器，并与Smith控制器相结合，来消除其延迟时间。通过matlab仿真结果表明，这种控制方法与常规PID控制方法相比较，可以缩短调节时间、提高控制系统的稳定性，具有更好的动态调节特性。

关键词：免疫PID;Simth算法;空调控制

中图分类号：TP273         文献标志码：A         文章编号：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

中央空調控制的稳定性、快速性和准确性会对空调的能耗以及舒适性等产生较大的影响。随着智能建筑的不断发展，人们对于中央空调的控制要求不断提高。

由于自动化水平的不断提高以及变频器使用的不断普及，空调的控制也由简单的开关控制发展到了目前普遍采用的基于PID算法的变频控制。而传统的PID控制虽然算法比较简单、参数容易整定，可以适用于大多数工业控制的场合。但由于中央空调温度控制具有延迟时间比较长、运行过程中模型的参数经常会发生变化的特点，采用传统PID控制器经常调节效果比较差。因此本文考虑在传统PID控制的基础上引入Smith控制和免疫控制，来提高中央空调运行时的稳定性、快速性及鲁棒性等控制品质指标。

2 免疫PID控制器的设计

免疫是生物体的一种特别的生理反应，当病毒等由于生物的身体抵抗力较弱的原因侵入机体并不断扩散到周围细胞后，T细胞会受到抗原的信息，然后B细胞会产生消除抗原的抗体。机体内的辅助细胞TH会随着进入身体内抗原的增多而增加，而抑制细胞TS会随着进入身体内抗原的增多而减少，从而使B细胞的浓度不断增加，机体的抵抗能力增强而使病毒等不断减少，这时体内TS会不断增多并抑制了TH的产生而使B细胞也随之减少。经过一段时间后，机体内B细胞的浓度和进入体内的病毒等便趋于平衡[1]。B细胞的浓度与抗原浓度的关系式为：

其中：K为促进因子，η表示TS和TH作用的比例系数;用非线性函数f（.）来表示细胞抑制抗原刺激的能力;S（k）和△S（k）分别表示B细胞的浓度和浓度变化。

根据上述免疫反馈原理，提出了免疫PID控制器：用抗原数量ε表示温度控制系统的偏差e;用B细胞浓度S来表示控制系统的控制器输出u;用抗原的代数k来表示第k个采样时刻从而得到：

将（2）式中设计的免疫控制器与传统的PID控制器相结合即可构成免疫PID控制器，免疫PID控制器可以表示为：

（3）式中K'=K{1-ηf[u（k），△u（k）]}为免疫控制器的比例系数，Kp、Ki和Kd为PID控制器的参数。它的本质上是一个非线性PID控制器。它与传统PID控制器相比具有更好的鲁棒性和对非线性对象的控制效果。本次免疫控制器中的非线性函数f（.）可以通过构造一个一个双输入单输出的二维模糊控制器来实现。具体的模糊规则可以按照生物的免疫原理来实现。既控制系统的误差越大这模糊控制器的输出也越大;控制系统的误差越小那么模糊控制器的输出也越小[2]。

3 免疫PID-Smith控制器

Smith预估控制系统的实现方式是把人造的数学模型引入控制回路， 通过预估反馈信息，来提高调节质量。而实现Smith预估控制系统就必须知道被控对象准确的数学模型，然后在调节器处并联一个Smith预估补偿模型，这个模型被称为Smith预估器。在预估模型精确的控制系统中，系统的开环传递函数中不再有迟延环节，和常规控制系统相比，Smith预估控制系统在达到相同的控制回路稳定性的时候同时还让系统的调节时间和调节品质极大提升。在Smith预估系统中，迟延环节对控制回路不再有影响，保证了系统反馈通道的反馈信息能够准确、及时反馈到主回路的调节器。

但是由于Smith预估控制系统对人工构的模型与原被调对象的传递函数之间误差变化过于敏感，一旦控制系统的模型发生变化，就会导致调节效果严重恶化。所以单纯的Smith预估控制系统在实际生产过程中的应用十分有限。而本次设计的控制系统将免疫控制器与其结合使用，这样既具有传统Smith控制器可以消除大迟延大惯性控制对象中迟延环节对控制系统品质的影响，又可以一定程度上弥补Smith预估控制器对参数变化敏感的不足。

4 Matlab仿真结果及分析

本文以某室内空调温度控制系统为对象，该系统在运行时会受各种因素的影响，是一个典型的非线性、时变性、祸合性、大惯性及受多种扰动因素影响的控制系统。通过分别对空调系统的盘管特性及房间特性进行分析及建模，得到该系统被控对象的传递函数[3]：

公式（4）中的传递函数G（s）反应空调温度系统中温度随时间的变化量，本文采用matlab软件对设计的免疫PID-Smith控制系统进行分析，构造的仿真框图如图1所示[4]。

输入信号取典型的阶跃信号，其幅值变化为在时间为0秒的时刻温度设定值从0到1，依据本次设计的仿真图，分别采用常规PID控制算法和免疫PID-Smith控制算法对本文的空调温度控制系统进行仿真分析，并对仿真结果进行比较如图2所示。

从图2可以看出：免疫PID-Smith控制既具有Smith控制器可以消除控制对象延迟时间的影响;又具有免疫控制器调节的优点。与常规的PID控制相比较，本次设计的免疫PID-Smith控制系统系统的调节时间更短、稳定性更好。说明免疫PID-Smith控制在控制温度控制中可以比常规PID控制取得更好的调节效果。

5 结束语

本文在常规PID控制算法的基础上，针对温度控制系统普遍存在的大延迟特性会使系统的调节品质变差的特点，引入了Smith控制来消除系统中对象的延迟时间，又针对Smith控制过分依赖模型精度的问题引入免疫控制器，并将其应用到空调温度控制系统中。通过matlab仿真结果表明，免疫PID-Smith控制器与常规PID控制器相比较具有更快的响应速度以及调节更加稳定，可以应用到具有非线性、大迟延的温度控制系中。

参考文献：

[1]姜继民.免疫控制器的优化设计及应用[D].河南科技大学，2012.

[2]赵恒.免疫策略优化模糊系统与神经网络温度控制算法研究[D].西安电子科技大学，2006.

[3]杨扬.基于Simth-Fuzzy-PID控制策略的TL环节控制系统的研究与应用[D].兰州理工大学，2018.

[4]文定都，曾红兵，李毅梅.一种新颖的模糊免疫PID在温度控制中的研究[D].微计算机信息，2009.