潔凈手術(shù)室凈化空調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
一、引言
當(dāng)前，隨著醫(yī)療水平的提高，手術(shù)室環(huán)境成為展現(xiàn)醫(yī)院硬件環(huán)境的重要組成部分。而為減少手術(shù)室的環(huán)境污染，保持一定的溫度和濕度顯得非常重要。但醫(yī)院手術(shù)室每天都有大量的手術(shù)，其中的無(wú)影燈、照明燈等對(duì)室內(nèi)的溫度和濕度產(chǎn)生很大的影響，很難保持恒定的溫度和濕度。而溫度和濕度通常被認(rèn)為是評(píng)價(jià)潔凈手術(shù)的重要指標(biāo)，如手術(shù)室中房間溫度超過(guò)60%，細(xì)菌會(huì)在手術(shù)室內(nèi)大量繁殖，從而嚴(yán)重影響到手術(shù)的安全。因此，如何借助手術(shù)室內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度的調(diào)節(jié)，成為當(dāng)前思考的重點(diǎn)。但通過(guò)對(duì)相關(guān)的文獻(xiàn)總結(jié)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前針對(duì)手術(shù)室潔凈空調(diào)控制設(shè)計(jì)中，除從硬件和軟件的角度入手之外，還主要對(duì)溫濕度控制存在的不確定性進(jìn)行了研究，如通過(guò)PID算法對(duì)溫濕度進(jìn)行控制。本文則在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)角度基礎(chǔ)上，著重對(duì)傳統(tǒng)的PID算法在控制精度方面存在的問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)，從而提高手術(shù)室溫濕度控制精度。
二、
系統(tǒng)功能需求
結(jié)合手術(shù)室溫濕度控制需求，筆者認(rèn)為該系統(tǒng)主要包括以下幾點(diǎn)需求:
（1）溫度控制要求
借助手術(shù)室風(fēng)管里安裝的溫度傳感器對(duì)數(shù)據(jù)的采集，將信號(hào)直接傳送給PLC 處理器。PLC 根據(jù)測(cè)定的溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度比較，并結(jié)合PID 算法進(jìn)行計(jì)算，得到輸出信號(hào)。將結(jié)果信號(hào)傳遞給誒模擬輸出量，執(zhí)行相應(yīng)的命令操作，如打開(kāi)冷凍/ 熱水調(diào)節(jié)閥，達(dá)到對(duì)溫度的控制。
（2）濕度控制
對(duì)手術(shù)室來(lái)講，不同的氣候條件下對(duì)濕度的要求不同。如在冬季條件下，通常通過(guò)加濕器的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)濕度控制的目的，而在夏季條件下，除采用加濕器進(jìn)行加濕外，還會(huì)采用水閥調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)此，同樣利用風(fēng)管里安放的溫濕度傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，最后通過(guò)PLC輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)模擬量，達(dá)到最不同閥門控制的目的。
（3）壓力控制需求
根據(jù)手術(shù)室通風(fēng)工藝要求，其風(fēng)道的壓力必須保持在一定范圍之內(nèi)，最終達(dá)到滿足醫(yī)用的要求。因此，系統(tǒng)會(huì)以管道內(nèi)的回風(fēng)壓力檢測(cè)傳感器檢測(cè)到的壓力作為依據(jù)，通過(guò)PID對(duì)輸出頻率的控制，達(dá)到對(duì)送風(fēng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，達(dá)到對(duì)整個(gè)室內(nèi)壓力控制的需求。
（4）人機(jī)操作界面需求
在對(duì)溫濕度進(jìn)行控制中，可通過(guò)直觀的人機(jī)操作界面對(duì)不同的功能進(jìn)行控制，并實(shí)時(shí)的將監(jiān)測(cè)到的溫度和濕度顯示出來(lái)，從而更好實(shí)現(xiàn)控制。
（5）安全需求
在該系統(tǒng)中，可能會(huì)存在送風(fēng)機(jī)故障、加濕器故障、水閥調(diào)節(jié)故障，對(duì)此，針對(duì)這些故障，需要通過(guò)聲光報(bào)警的方式提醒系統(tǒng)管理人員，從而保障整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的安全。
三、
系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)計(jì)
結(jié)合上述需求，本文將醫(yī)院手術(shù)室凈化空調(diào)控制系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)為如圖1 所示。
圖1. 系統(tǒng)整體運(yùn)行架構(gòu)
通過(guò)圖1 看出，系統(tǒng)整體主要分為新風(fēng)系統(tǒng)和潔凈室兩個(gè)重要部分。其中新風(fēng)部分主要通過(guò)導(dǎo)入口和過(guò)濾系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)新鮮空氣的輸入。而通過(guò)圖1 可知道該系統(tǒng)運(yùn)行的流程為：通過(guò)新風(fēng)系統(tǒng)將新鮮的空氣輸送到各個(gè)醫(yī)院的手術(shù)室；其次，各個(gè)手術(shù)室的風(fēng)道入口會(huì)安裝量風(fēng)閥，根據(jù)手術(shù)室內(nèi)的壓力、溫度和濕度等數(shù)據(jù)，會(huì)打開(kāi)煩悶直接引入新風(fēng)，而不需要手術(shù)室工作人員手動(dòng)操作，以此保證手術(shù)室都處在正壓的狀態(tài)之下；而手術(shù)室產(chǎn)生的回風(fēng)，則經(jīng)過(guò)空調(diào)控制系統(tǒng)和新風(fēng)系統(tǒng)再循環(huán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)能源的節(jié)約，減少不必要的氣流波動(dòng)。
四、PID 算法改進(jìn)
4. 1 傳統(tǒng)PID 調(diào)節(jié)原理
PID 調(diào)節(jié)通常對(duì)三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，包括比例(Proportional)、積分( Integral) 和微分( Differential) ，其具體的控制原理則如圖2 所示。
圖2 傳統(tǒng)PID 調(diào)節(jié)原理
通過(guò)圖2 看出，其輸入量e(t) 和輸出量u(t) 之間的關(guān)系可以用公式( 1) 來(lái)表示。
（1）
其傳遞函數(shù)則為:
（2）
4.2 PID 控制數(shù)學(xué)模型———手術(shù)室內(nèi)溫度模型
對(duì)潔凈手術(shù)室的構(gòu)建中，包含多個(gè)不同的指標(biāo)，如溫度、濕度等。本文則以溫度為例，結(jié)合能量守恒定律，則有如下表達(dá)式:
（3）
其中，Cf 為房間容量系數(shù)(KJ/oC) ；Tn 表示房間內(nèi)空氣的溫度(oC) ；Ms 為送風(fēng)量(kg /h) ；Ck 為空氣比熱KJ/kgoC ；Ts 為送風(fēng)溫度( oC) ；qf 為散熱比；Tw 為室外溫度變化量( oC)，r 為室內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱阻。因此，通過(guò)公式( 3) 可以推導(dǎo)出溫度傳遞函數(shù)：
（4）
而如果考慮到數(shù)據(jù)在傳輸中的命令執(zhí)行滯后問(wèn)題，其傳遞函數(shù)則為:
（5）
而從實(shí)際角度來(lái)看，對(duì)溫濕度的調(diào)節(jié)還與流動(dòng)人員、室內(nèi)電氣設(shè)備散熱等因素還有關(guān)，屬于一個(gè)多容對(duì)象對(duì)此，公式( 5) 通常是近似運(yùn)算。
4. 3 仿真結(jié)果分析
通過(guò)利用MATLAB 對(duì)上述模型進(jìn)行仿真，可以得到如圖3 所示的仿真波形。
圖3 PID 仿真波形
通過(guò)上述圖可以看出，無(wú)論是P、PI、PD 還是PID控制，都存在很大的時(shí)延問(wèn)題，因此，可能會(huì)在下一個(gè)時(shí)刻對(duì)溫度和濕度進(jìn)行超調(diào)，影響控制精度。
4.4模糊PID 控制
根據(jù)溫度控制功能，并結(jié)合模糊規(guī)則，引入溫度溫差e，溫差變化率△ e 分別作為輸入變量E、EC，以輸出電流作為輸出變量ΔU，由此可以得到如圖4 所示的調(diào)節(jié)原理。
圖4 模糊控制原理
同時(shí)結(jié)合模糊規(guī)則制定語(yǔ)言值模糊表，具體如表1。
表1 溫度控制模糊規(guī)則表
4. 5 仿真結(jié)果
同樣應(yīng)用MATLAB 軟件對(duì)模糊規(guī)則的控制算法進(jìn)行仿真，可以得到如圖5 所示結(jié)果。
圖5 模糊規(guī)則仿真結(jié)果
結(jié)論
通過(guò)運(yùn)用模糊規(guī)則仿真，并最終通過(guò)圖5 驗(yàn)證，證明模糊規(guī)則在解決溫度控制的時(shí)滯方面具有非常重要的作用，對(duì)提高手術(shù)室控制的精度也起到了很好的作用。
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