朱太玉

摘要：生物實驗室要求實驗房間壓力恒定，房間之間具有一定的壓力梯度，而房間壓力控制存在內(nèi)外多種干擾，房間及走廊等之間也會相互影響，常規(guī)單回路PID控制難以快速滿足控制要求，而且需要根據(jù)實際對象不斷調(diào)整，參數(shù)自整定技術(shù)具有快速、自調(diào)整、穩(wěn)定等特點。針對實驗室房間壓力控制需求，本文主要介紹了理論結(jié)合工程實際實現(xiàn)各種干擾實現(xiàn)生物實驗室房間壓力控制優(yōu)化，如何實現(xiàn)控制回路PID參數(shù)自整定，減少人工調(diào)整的工作量，并能夠?qū)崿F(xiàn)快速調(diào)整和控制精度，從而保證房間壓力穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：生物實驗室;參數(shù)自整定;PID參數(shù);控制精度

Abstract：The pressure of each laboratory room is required to be constant，and there is a certain pressure gradient between the rooms. However，there are many kinds of interference inside and outside the laboratory room，and the rooms and corridors will also interact with each other. The conventional single loop PID control is difficult to meet the control requirements quickly，and it needs to be adjusted continuously according to the actual object. The parameter self-tuning technology has the advantages of fast，self-adjusting，high-speed and low-cost It is stable. According to the demand of laboratory room pressure control，this paper mainly introduces how to realize the optimization of the room pressure control in biological laboratory by combining the theory with the engineering practice，how to realize the PID parameter self-tuning of the control loop，reduce the workload of manual adjustment，and realize the rapid adjustment and control accuracy，so as to ensure the room pressure stability.

Key words：biological laboratory;Parameter self-tuning;PID parameters;control accuracy

1.引言

近年來國內(nèi)醫(yī)藥行業(yè)發(fā)展迅速，新建實驗室工程項目較多，尤其發(fā)生新冠疫情以來，各級生物安全實驗室項目的快速設(shè)計與建設(shè)必要性尤其突出。由于生物安全實驗室環(huán)境性質(zhì)要求，充分保證實驗人員的健康和安全，對其環(huán)境類監(jiān)測控制要求越來越高。不同用途、不同等級的生物安全實驗室，對房間壓力監(jiān)控要求會有所不同。出于安全考慮，生物安全實驗室對房間壓力要求尤其嚴格。實驗室配套空調(diào)潔凈系統(tǒng)實現(xiàn)房間壓力恒定及保證區(qū)域間壓力梯度，保證房間換氣次數(shù)，而房間壓力存在內(nèi)外多種干擾，如系統(tǒng)及各區(qū)域的送風(fēng)風(fēng)量、房間內(nèi)生物安全柜、通風(fēng)柜及房間工藝排風(fēng)量，以及高中效過濾器長期使用帶來的阻力變化等因素，另外房間與房間之間、房間及走廊等之間壓力也會相互干擾影響，因此實驗室房間壓力的控制是暖通潔凈自控系統(tǒng)的重點，也是難點。為了穩(wěn)定控制且能夠根據(jù)運行條件的變化自動、快速調(diào)整主要對象的回路控制參數(shù)，設(shè)計開發(fā)一種能夠自動整定調(diào)節(jié)性能的控制方案勢在必行，本文結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)實際課題，結(jié)合經(jīng)典控制理論基礎(chǔ)和自學(xué)習(xí)模糊控制的先進思路，利用現(xiàn)在控制器硬件具備的快速檢測計算能力，開發(fā)一種適合實驗室壓力控制方法，實現(xiàn)各個回路PID參數(shù)自整定，減少人工調(diào)整的工作量，并能夠?qū)崿F(xiàn)快速調(diào)整和控制精度，從而保證房間壓力穩(wěn)定。生物安全實驗室暖通潔凈自控系統(tǒng)總體控制思路為：送風(fēng)風(fēng)量采用變頻控制，頻率控制依據(jù)采用定風(fēng)量或靜壓，排風(fēng)風(fēng)機保證排風(fēng)管靜壓穩(wěn)定，這樣達到風(fēng)量系統(tǒng)的動態(tài)平衡。送排風(fēng)風(fēng)機控制以穩(wěn)定為主，使其送排風(fēng)量波動較小;房間壓力控制因生物安全柜、通風(fēng)柜等設(shè)備的使用需快速進行房間送排風(fēng)的控制。房間壓力控制方式通常有以下幾種：第一為根據(jù)房間壓差自動調(diào)節(jié)送排風(fēng)風(fēng)閥開度，第二為控制房間余風(fēng)量（送風(fēng)量與排風(fēng)量之差）來實現(xiàn)房間壓力，第三種為余風(fēng)量作為基本控制方式，同時加入壓差傳感器對余風(fēng)量進行再設(shè)定，最終保證房間壓力穩(wěn)定。不管哪種控制方案，都需要根據(jù)上述干擾而快速響應(yīng)，以滿足室內(nèi)有毒有害氣體物質(zhì)排出（滿足房間負壓以及排風(fēng)柜面風(fēng)速的要求）而不影響人員的健康和安全。整套控制部分主要涉及監(jiān)測、控制器、執(zhí)行器等硬件和監(jiān)測控制軟件，硬件主要采用PLC等監(jiān)測計算較強的控制器、變風(fēng)量閥或快速風(fēng)閥執(zhí)行器、傳感器等，硬件部分在常規(guī)工程項目中基本能夠滿足要求，本文主要介紹控制方案及控制軟件部分。由于實驗室壓力控制現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于暖通潔凈監(jiān)控，本文提出的控制回路參數(shù)自整定方法對實驗室及潔凈環(huán)境壓力監(jiān)控的設(shè)計具有實用價值。

2.壓力監(jiān)控的系統(tǒng)分析及整體方案設(shè)計

實驗室為滿足功能要求設(shè)計不同區(qū)域，不同區(qū)域會有不同潔凈度、溫濕度以及壓力等需求，有些房間需保證有毒有害氣體物質(zhì)安全流動及排放。下圖1、2分別為房間送排風(fēng)和常見的控制示意圖：

房間壓力監(jiān)控主要存在以下干擾：

1）房間通風(fēng)柜的隨機開停，造成排風(fēng)量變化，使房間壓力出現(xiàn)波動;

2）某個房間的壓力波動，造成對整個機組的送排風(fēng)壓力波動，從而使房間壓力波動;

3）房間開關(guān)門，造成房間壓力大幅波動;

基于以上原因分析可得，實驗室房間壓力具有非線性、時變特性，經(jīng)典PID難以滿足控制要求，即房間壓力調(diào)節(jié)需快速響應(yīng)，而壓力平穩(wěn)時需保證控制輸出穩(wěn)定。

為解決以上矛盾，需要找到一種辦法：控制器參數(shù)在線自整定技術(shù)，讓控制系統(tǒng)能夠在運行之前初步配置，開始運行后能夠根據(jù)系統(tǒng)和環(huán)境差異自動將控制參數(shù)調(diào)整到最佳值，減少大量重復(fù)耗時的工作，而且使控制性能得到保證。本自整定控制方法，是常規(guī)PID 控制結(jié)合模糊控制原理，單回路 PID是工業(yè)監(jiān)控中工程師常用方法，方便理解和使用，而模糊控制則是快速消除上述各種干擾，利用簡單模糊推理自動調(diào)整單回路的控制參數(shù)，最終達到控制精度并具有自適應(yīng)的控制效果。

控制參數(shù)在線優(yōu)化整定算法，其原理框架如下圖3：

其中，控制參數(shù)存放PID控制器的Kp、Ki、Kd等參數(shù)，在系統(tǒng)投用前為工程經(jīng)驗數(shù)值，系統(tǒng)投用后為實時更新。規(guī)則數(shù)據(jù)是控制基本規(guī)則及初始參數(shù)值，如工程經(jīng)驗的極限值、安全值、PID參數(shù)。優(yōu)化整定是根據(jù)輸入輸出參數(shù)，經(jīng)模糊推理運算等而得到新的PID參數(shù)。

在常規(guī)工程項目中的PID回路，Kp用于系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度，利于提高控制精度，但過大會造成系統(tǒng)波動;Ki用于消除回路穩(wěn)態(tài)誤差;Kd用于改善回路滯后。

控制參數(shù)對系統(tǒng)特性的影響：控制曲線中在1段時，應(yīng)設(shè)置較大Kp、小Kd;在2段時，應(yīng)設(shè)置小Kp，Ki、Kd適度;在3 段時，為保證穩(wěn)定性，應(yīng)適當(dāng)增大 Kp、Ki，為克服滯后應(yīng)根據(jù)偏差變化率適當(dāng)設(shè)置Kd值。即自整定PID控制思路為：根據(jù)當(dāng)前誤差、誤差變化率，通過模糊規(guī)則對PID控制參數(shù)Kp、Ki、Kd進行自動調(diào)整，最終達到快速又平穩(wěn)的控制效果。原理框架如下圖5：

現(xiàn)代實驗室環(huán)境監(jiān)控的實現(xiàn)，通?；诳删幊炭刂破鱌LC的硬件基礎(chǔ)上，現(xiàn)場設(shè)置壓力傳感器、控制器、控制閥，以及監(jiān)視計算機實現(xiàn)集中監(jiān)控，即監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)備層、控制層、監(jiān)控管理層三層網(wǎng)絡(luò)，某項目的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如下圖6：

3.硬件接口和軟件設(shè)計

以壓力調(diào)節(jié)為例，通過壓力傳感器檢測房間壓力值，傳感器根據(jù)壓力和自身量程值變送輸出電流信號（4～20MA），該信號傳輸?shù)絇LC的AI模塊，PLC接收到信號后作為PID控制回路的過程值PV，進行PID的運算，自適應(yīng)模糊運算對控制參數(shù)調(diào)整后輸出給PID模塊。參數(shù)自整定PID的實現(xiàn)，除了常規(guī)PLC具有的PID功能模塊外，還需要開發(fā)一個模糊算法的功能塊，該模糊功能塊具有子模塊功能，能夠作為子模塊進行自由調(diào)用。信號流及功能關(guān)系如下圖7示：

（1）硬件接口說明

現(xiàn)代工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中，硬件接口通常都已標(biāo)準(zhǔn)化了，傳感器輸出、控制單元模擬量輸入AI、控制單元模擬量輸出AO，以及控制單元的組成（CPU+IO站+網(wǎng)絡(luò)，如圖6）等。AI、AO模塊的信號通常為4～20MA、0～10VDC等，上圖中以4～20MA為例，控制單元PLC的網(wǎng)絡(luò)通常為PROFINET及PROFIBUS DP等，計算機與控制單元PLC的網(wǎng)絡(luò)常用Internet。實驗室風(fēng)閥控制通常采用電動風(fēng)閥執(zhí)行器，根據(jù)房間情況配置不同開關(guān)速度的型號，當(dāng)實驗房間有生物安全柜等設(shè)備時因安全等要求需要配置開關(guān)較快執(zhí)行器，如全行程時間在5S以內(nèi)。

（2）軟件原理及編程

根據(jù)模糊控制原理，在實驗室房間壓力系統(tǒng)中，壓力偏差的基本論域取[-xe，xe]，通常為：[-20，20]，單位為Pa;壓力偏差變化率的基本論域取[-xc，xc]，通常為[-5，5]，單位為Pa/S。模糊控制模塊輸出量的基本論域為[-ye，ye]，通常為：Kp [0.1，10]，Ki ?[0，300]，Kd ?[0，500]。房間壓力快速風(fēng)閥的控制通?？刹挥梦⒎肿饔?。

制定模糊控制規(guī)則的主要依據(jù)PID參數(shù)自整定原則，也基于工程項目人員實際經(jīng)驗，增量式模糊PID優(yōu)化規(guī)則如下：表1、表2、表3，其中E high、E low、EC high、EC low的值可參考偏差和偏差變化率的高低限而設(shè)置，如E high=3 Pa、E low=2 Pa、EC high=2 Pa/S、EC low=1 Pa/S。在實際的項目中偏差、偏差變化率的高低限制，以及控制表中的△Kp（e，ec）、△Ki（e，ec）、△Kd（e，ec）值都可以進行外部（HMI界面上）修改，以達到控制回路的優(yōu)化調(diào)節(jié)。

（4）自整定程序的應(yīng)用

自整定模糊運算模塊開發(fā)好以后，可在其他程序中多次調(diào)用，每周期執(zhí)行的結(jié)果用于對應(yīng)PID控制模塊?？刂茀?shù)計算修正的周期可根據(jù)實際情況進行調(diào)整，即控制周期可進行調(diào)整，常規(guī)回路可設(shè)置為0.5～1秒。初始的PID控制參數(shù)，在系統(tǒng)運行前通過規(guī)則數(shù)據(jù)庫（圖8中，DB20的靜態(tài)變量）進行設(shè)置。

圖8為西門子博圖V16開發(fā)的自整定模糊子程序FB1，以及房間ROOM_PT_101自動PID_Compact回路控制。其中數(shù)據(jù)塊DB20保存自整定經(jīng)驗參數(shù)、自整定后的更新參數(shù)以及安全極限參數(shù)，數(shù)據(jù)塊DB19為壓力控制PID的參數(shù)，自整定后的參數(shù)如下程序賦值給PID。

為了快速達到房間壓力穩(wěn)定并使整個機組所對應(yīng)系統(tǒng)壓力平衡，克服比如房間開門、房間內(nèi)通風(fēng)柜突然開啟或關(guān)閉、甚至系統(tǒng)停機再開機等因素造成房間壓力突變，我們會記憶穩(wěn)態(tài)下的控制參數(shù)到上述的規(guī)則數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)房間恢復(fù)正常或系統(tǒng)恢復(fù)正常時，控制系統(tǒng)直接使閥門開度、PID參數(shù)等恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)時的值，以使系統(tǒng)以最快速度達到穩(wěn)態(tài)時的相對狀態(tài)，在此基礎(chǔ)逐步再調(diào)整。

另外，為了克服房間開關(guān)門對房間壓力的影響，可以通過安裝門磁開關(guān)來檢測門的狀態(tài)，控制系統(tǒng)在開門期間不對房間的送風(fēng)和排風(fēng)閥門進行壓力調(diào)整，以使整個系統(tǒng)壓力不被破壞，而開門的房間短時間內(nèi)的開關(guān)門也影響甚微。如果房間壓力穩(wěn)定性要求較高，不允許存在負壓等情況出現(xiàn)，那么可以配置送風(fēng)和排風(fēng)閥為快速動作型。此外，也可以對房間的門設(shè)計為互鎖門，以避免開門對房間壓力的影響。

通過工程項目的實際運行可以證明，參數(shù)自整定的應(yīng)用對實驗室房間壓力調(diào)整的速度和精度控制都得到了提高，監(jiān)控過程中壓力超限值報警明顯減少。某個實驗室項目實際壓力控制曲線如下圖9：圖中表示設(shè)定值改變SP1（22Pa）到SP2（45Pa），以及恢復(fù)過程，其控制精度基本在3Pa以內(nèi)。

4.結(jié)束語

房間壓力穩(wěn)定性是整個自控系統(tǒng)的核心衡量參數(shù)之一，也是難點，本文針對實驗室房間壓力控制的PID參數(shù)自整定方法進行了說明，通過對常規(guī)PID控制參數(shù)的優(yōu)化控制，提高了控制回路的快速性，同時保證在穩(wěn)態(tài)時的精度，此外作為自控系統(tǒng)集成工作來說，大大縮減了控制回路整定工作量，減少了重復(fù)勞動。

本文說明的自整定技術(shù)，實施起來簡單，基本不需要對控制器運算有特別要求，在原系統(tǒng)控制程序里增加優(yōu)化及數(shù)據(jù)模塊即可實現(xiàn)，因此具有較好的工程應(yīng)用價值。由于文中應(yīng)用的是增量式優(yōu)化算法，初始參數(shù)需要靠經(jīng)驗數(shù)據(jù)，方便應(yīng)用于熟悉的控制對象，但對于未知的控制對象未必會有較好的效果（快速性能），因此初始參數(shù)的來源上仍需進行自整定的再研究，可以嘗試的方法有繼電型PID自整定控制策略等。

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