中央空调系统中自适应Smith预估补偿器的研究

　　中央空调系统是一个大时滞系统，即使在只考虑空调房间本身的时滞时，其时滞程度已接近甚至大于 1。由于控制器不能及时得到控制作用的反馈信息，从而不能给出及时准确的控制策略，将使得系统控制超调量增大、稳定性变差、调节时间加长，严重时甚至会出现振荡、发散，系统的控制性能将明显变差。

　　实践证明，采用模糊控制理论对系统进行控制，其抗干扰能力强且鲁棒性较好，然而对于大时滞的影响，其控制效果改善并不明显。由于中央空调模型存在严重的纯滞后误差，这影响了 Smith 预估补偿算法的补偿效果[1]。为了解决这个问题，很多学者提出了基于常规 Smith 预估控制器的各种改进方法，大致可以分为两种: a) 基于结构上的改进，通过在不同位置增加一些并联或者串联的环节进行补偿; b) 在参数整定方面展开研究，通过泰勒多项式展开时滞项，用鲁棒性能指标及其他指标函数对控制器进行解析设计，或对其中的控制参数通过鲁棒性指标进行调整，还有的对 Smith 预估系统的反馈传递函数进行改进，以增强它的鲁棒性和稳定性。

　　采用结构上进行改进的方法，比较有名的是 Hang 提出的改进 Smith 预估器[2]。其主反馈通道的传递函数不是 1，而是一个固定函数，这样的修改实际上是在反馈通道中加入了一个滤波器。理论分析和实践证明，该方法的稳定性和鲁棒性比原来的 Smith 预估系统要好，它对模型精度要求明显降低，控制品质也得到了很大的改善。但是当被控参数发生变化时，滤波器的参数也应调整，以适应当前系统控制的要求。针对这一问题，本文考虑将 Smith 预估控制与模糊控制相结合的方法实现滤波参数 tf的自整定。因 Smith 预估补偿器的设计只依赖于控制对象，与系统控制器互不影响[3，4]，故而可以将 Smith 预估补偿器与控制器分开设计。

　　1 Smith 预估控制器的改进结构

　　在模型精确的条件下，用 Smith 预估补偿算法对系统进行控制，经整定控制器，可使系统有很好的动态特性。然而它对模型偏差十分敏感，尤其是模型的纯滞后误差和增益误差[5]。当模型的参数发生变动时，系统的输出将明显变坏，甚至会出现不稳定的现象。中央空调系统正是这样一个时变、非线性系统，系统参数时刻发生改变，要得到对象的精确模型是有困难的[6，7]。当预估器参数不匹配时，补偿效果将下降，严重时甚至使系统发生振荡。因此，有必要改进常规 Smith 预估器。

　　本文以系统稳定为前提，考虑在稳定性较好的经 Hang 改进后的结构上研究适合本系统的 Smith 自适应算法。Hang 提出对 Smith 预估器进行改进，其原理如图 1 所示。