自適應模糊PID控制在負壓隔離病房控制系統中的應用

鄧克勇，張理鑫，李志俊

（1.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢430071；2.武漢理工大學自動化學院，湖北 武漢 430070）

0 引言

自2003年SARS肆虐之后，我國開始意識到傳染病控制措施的重要性和必要性，多家醫院先后逐步開始建起自己的負壓隔離病房，因此負壓隔離病房在我國不算少數。但由于一些設計單位缺乏一定基本的隔離設計知識，各地負壓隔離病房的建造規格也都標準不一，硬件設施與隔離理念也都不盡相同，因此不同的隔離病房的使用效果都普遍不夠理想。同時，仍然存在著負壓隔離效果不穩定、隔離時效性很差、處理和排放污染空氣不規范等問題。本文意在將原有的負壓隔離病房的控制系統改進成為更穩定、更具時效性、更快達到所需環境配置要求的負壓隔離病房控制系統。

由于負壓隔離病房的控制模型是變量較多、耦合性強且系統不容易保持穩定的非線性系統，病房內要求具有均勻且固定流向的空氣流場和恒定的溫度、濕度的控制，以及防止渦流的產生等，傳統的控制理論和設計方法難以滿足其控制要求。負壓隔離病房控制系統利用現代智能控制技術，可以快速設計出高質量，滿足負壓隔離病房安全規范的控制系統[1]。

模糊控制是用相對于模糊的語言變量來描述具體實際問題，以及用模糊邏輯推理實現對系統的控制，這種方法不需要對控制對象輸入、輸出等進行精確的描述，具有超調小、魯棒性強和對系統非線性好的適應性等優勢，經過多年的發展，在理論和應用方面都取得了巨大的成就，而PID控制作為一種傳統的控制方法，仍是目前工業過程控制中應用最廣泛的一種控制手段。本文將一般的PID控制器和常規模糊控制器有效組合，形成模糊PID控制器，使系統的PID參數能根據現場變化的環境進行模糊自適應在線整定，可有效地改善系統的穩態性能指標[2，3]。

1 基于模糊PID控制的負壓隔離病房大氣流場控制器的結構

負壓隔離病房大氣流場有如下控制要求：整個控制系統在密閉負壓隔離病房內實現定向均勻且有合適穩定的溫度與濕度的室內大氣流場，并且能夠排除相關干擾量，驅動控制風機工作，始終保持氣壓差恒定，有效防止病毒的交叉感染。

負壓隔離病房控制策略作如下設計：控制負壓隔離病房內醫護區與病人區之間的氣壓差恒定，保證氣流從醫護區到病人區的大氣流場均勻且不產生渦流現象。

氣壓的穩定采用風機的轉速來控制，根據現場傳感器的反饋信號來控制風機的轉速實現差壓恒定。

擾動量則主要來自室內人員的流動及溫度的變化，反饋量取醫護區與病人區之間的大氣壓差和室內溫濕度。

基于模糊PID控制的負壓隔離病房大氣流場控制器的基本結構如圖1所示。

圖1 負壓隔離病房大氣流場控制器的基本結構

控制器中，功率驅動模塊的控制信號是給定信號和微差壓傳感器的反饋信號的偏差經過模糊PID控制器計算得到的理想控制參數。本系統與傳統的運動控制系統不同之處在于控制器采用了模糊PID控制器。模糊PID控制器利用了ARM微處理器實現，它主要實現了把系統的偏差從數字量模糊化為模糊量、對模糊量由給定的規則進行模糊推理、將推理輸出的模糊量輸出轉化為數字量，提供給PWM信號芯片輸出控制功率器件驅動風機[4]。

2 模糊控制器的設計

2.1 PID控制設計

PID 控制器包括比例（P）、積分（I）和微分（D）三個環節，通常會以下公式表示：

其中 u（n）為控制器輸出量，e（n）為誤差信號，Kp為比例系數，Ki為積分作用系數，Kd為微分作用系數。Kp、Ki、Kd需要在根據不同的工作環境不斷修正才能實現自適應控制。PID控制器的設計主要是Kp、Ki、Kd三個參數的確定，需要在設計時根據PID參數整定原則及專家的技術知識、實際操作經驗得出，因為被控對象的延遲特性較大，基本不能實現理想的控制效果，需要在實際情況下對超調量、累計誤差、調節時間指標施加一定的限制條件，才能滿足實際控制要求，取得理想的控制效果[3]。

2.2 模糊控制

模糊控制是以模糊集合論、模糊數學、模糊語言形式的知識表示以模糊邏輯推理為理論基礎，并采用計算機控制技術所組成的一種包含反饋通道的閉環數字控制系統控制原理。主要包括其中的模糊量化處理、模糊控制規則、模糊決策、非模糊化處理等部分共同組成的模糊控制器。

模糊控制器的構成思路是通過將行業專家的一些知識和經驗直接簡化為“IF…THEN”語句，及適應實際環境下的過程控制規則和控制決策，使被控對象實現理想的控制效果。模糊控制器是由模糊化單元、控制規則推理單元和反模糊化單元三個部分組成。

其中模糊化和反模糊化單元可以與被控對象直接連接，規則推理單元是指將行業專家的知識和經驗簡化為“IF…THEN”語句后所存儲的單元。但模糊控制因為缺少積分環節，在實際過程中會產生一定的穩態誤差；而且模糊規則在實際環境應用中并不能無窮細分，只能根據一定的判斷規則來簡單界定，所以當實際的調節量大時，系統不容易保持穩定，而當調節量小時，系統的穩態誤差就會增大。

因此，結合模糊控制和PID控制各自特點，將模糊控制器和PID控制器進行串聯，利用模糊推理實現PID控制器的參數在線自適應整定，以適應系統參數的變化和工作實際環境的變化來達到最優的控制，可讓控制系統實現響應快、穩定性好的控制效果。

2.3 自適應模糊PID控制

自適應模糊PID控制器是在傳統PID控制的基礎上，以誤差e和誤差變化率ec作為系統的輸入，利用模糊邏輯控制規則進行模糊推理，并通過比對模糊控制規則表來對PID參數進行修正，這樣可以滿足不同時刻下偏差e和偏差變化率ec對于PID參數自調整的要求，如圖 2 所示[4，5]。

圖2 自適應模糊PID控制系統結構

在自適應模糊PID控制系統中，模糊控制器的設定和組建是整個控制系統的核心，它的特性、穩定性和性能優劣將會直接影響到Kp、Ki和Kd的設定，從而影響到整個控制系統的控制穩定度。

PID參數自整定過程就是先判斷構造出PID控制器的3個參數Kp、Ki和Kd與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關系，同時在系統運行的過程中通過不斷對e和ec進行檢測比對，最后根據模糊控制規則再來對3個參數進行在線修正，以滿足不同狀態下的e和ec對控制器的各種要求，從而無論系統在動態狀況或靜態狀況下都能達到理想的控制效果，并使系統具有良好的精準度和穩定性。

基于對系統的上述分析，將偏差e和偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入，PID控制器的3個參數 Kp、Ki和 Kd作為輸出。

設定輸入變量 e和 ec的論域為：e，ec={-3，-2，-1，0，1，2，3}

其 模 糊 集 為 ：e，ec={NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，將分別表示為負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。

輸出變量Kp，Ki，Kd來確定控制量，并規定其論域為：Kp，Ki，Kd={NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}

還可以用三角形隸屬函數曲線來描述各個語言值的定義。

基于前述PID參數整定原則以及工程設計人員（行業專家）的技術知識、實際操作經驗和負壓隔離病房的氣流組織研究成果，可列出相應的參數調節規則，如表 1～3 所示[6]。

表1 Kp模糊規則表（ΔKp）

表2 Ki模糊規則表（ΔKi）

NB NM NS O PS PM PB NB NB NB NM NM NS O O NM NB NB NM NS NS O O NS NB NM NS NS O PS PS O NM NM NS O PS PM PM PS NM NS O PS PS PM PB PM O O PS NM PM PB PB PB O O PS PM PM PB PB EC E

表3 Kd模糊規則表（ΔKd）

根據模糊規則表在線修訂PID參數[8]，計算公式如下：

其中Kp0，Ki0，Kd0為系統初始設置的PID參數。將 ΔKp、ΔKi、ΔKd作為自適應模糊 PID 模糊控制器的輸出參數，就可以通過被控系統的實時性能自動修正PID的3個參數Kp、Ki和Kd的數值，以適應控制系統的參數變化和系統的實際應用要求。

通過模糊控制和PID控制的結合，不僅有效地提高了被控系統的控制精度和魯棒性，而且讓系統在動態和靜態下的穩定性能得到了較大提升。

3 仿真實驗結果分析

采用Matlab仿真，PID控制和模糊PID控制的響應曲線如圖3所示。

圖3 PID與模糊PID的響應曲線

仿真結果表明，通過采用Fuzzy PID復合控制的算法，系統的響應速度變快、調節精度提高；系統穩態性能較好，而且沒有出現系統超調和系統振蕩的情況，顯示出了較強的魯棒性，這些對于控制系統的提升都是傳統的PID控制以及常規的模糊控制難以實現的。此外，在同樣精度要求下，系統的過渡時間變短，這在實際的過程控制中也有著重要的影響，可以極大地提高系統的響應速率，極大地實現負壓隔離病房中的環境配置時間。實際系統運行也表明，采用模糊PID控制算法，過渡調節時間減小，系統的響應速度加快，有效地縮短了病人救治的總時長；模糊PID控制器相比于常規PID控制器的超調量明顯減小，控制系統的動、靜態特性能均得到改善，能夠讓系統達到最優的控制效果，滿足實際系統應用要求[7]。