參數自整定在實驗室房間壓力控制中的應用

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外多種干擾，房間及走廊等之間也會相互影響，常規單回路PID控制難以快速滿足控制要求，而且需要根據實際對象不斷調整，參數自整定技術具有快速、自調整、穩定等特點。針對實驗室房間壓力控制需求，本文主要介紹了理論結合工程實際實現各種干擾實現生物實驗室房間壓力控制優化，如何實現控制回路PID參數自整定，減少人工調整的工作量，并能夠實現快速調整和控制精度，從而保證房間壓力穩定。

關鍵詞：生物實驗室;參數自整定;PID參數;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

近年來國內醫藥行業發展迅速，新建實驗室工程項目較多，尤其發生新冠疫情以來，各級生物安全實驗室項目的快速設計與建設必要性尤其突出。由于生物安全實驗室環境性質要求，充分保證實驗人員的健康和安全，對其環境類監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。實驗室配套空調潔凈系統實現房間壓力恒定及保證區域間壓力梯度，保證房間換氣次數，而房間壓力存在內外多種干擾，如系統及各區域的送風風量、房間內生物安全柜、通風柜及房間工藝排風量，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的重點，也是難點。為了穩定控制且能夠根據運行條件的變化自動、快速調整主要對象的回路控制參數，設計開發一種能夠自動整定調節性能的控制方案勢在必行，本文結合企業生產實際課題，結合經典控制理論基礎和自學習模糊控制的先進思路，利用現在控制器硬件具備的快速檢測計算能力，開發一種適合實驗室壓力控制方法，實現各個回路PID參數自整定，減少人工調整的工作量，并能夠實現快速調整和控制精度，從而保證房間壓力穩定。生物安全實驗室暖通潔凈自控系統總體控制思路為：送風風量采用變頻控制，頻率控制依據采用定風量或靜壓，排風風機保證排風管靜壓穩定，這樣達到風量系統的動態平衡。送排風風機控制以穩定為主，使其送排風量波動較小;房間壓力控制因生物安全柜、通風柜等設備的使用需快速進行房間送排風的控制。房間壓力控制方式通常有以下幾種：第一為根據房間壓差自動調節送排風風閥開度，第二為控制房間余風量（送風量與排風量之差）來實現房間壓力，第三種為余風量作為基本控制方式，同時加入壓差傳感器對余風量進行再設定，最終保證房間壓力穩定。不管哪種控制方案，都需要根據上述干擾而快速響應，以滿足室內有毒有害氣體物質排出（滿足房間負壓以及排風柜面風速的要求）而不影響人員的健康和安全。整套控制部分主要涉及監測、控制器、執行器等硬件和監測控制軟件，硬件主要采用PLC等監測計算較強的控制器、變風量閥或快速風閥執行器、傳感器等，硬件部分在常規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在廣泛應用于暖通潔凈監控，本文提出的控制回路參數自整定方法對實驗室及潔凈環境壓力監控的設計具有實用價值。

2.壓力監控的系統分析及整體方案設計

實驗室為滿足功能要求設計不同區域，不同區域會有不同潔凈度、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安全流動及排放。下圖1、2分別為房間送排風和常見的控制示意圖：

房間壓力監控主要存在以下干擾：

1）房間通風柜的隨機開停，造成排風量變化，使房間壓力出現波動;

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

3）房間開關門，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，經典PID難以滿足控制要求，即房間壓力調節需快速響應，而壓力平穩時需保證控制輸出穩定。

為解決以上矛盾，需要找到一種辦法：控制器參數在線自整定技術，讓控制系統能夠在運行之前初步配置，開始運行后能夠根據系統和環境差異自動將控制參數調整到最佳值，減少大量重復耗時的工作，而且使控制性能得到保證。本自整定控制方法，是常規PID 控制結合模糊控制原理，單回路 PID是工業監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整單回路的控制參數，最終達到控制精度并具有自適應的控制效果。

控制參數在線優化整定算法，其原理框架如下圖3：

其中，控制參數存放PID控制器的Kp、Ki、Kd等參數，在系統投用前為工程經驗數值，系統投用后為實時更新。規則數據是控制基本規則及初始參數值，如工程經驗的極限值、安全值、PID參數。優化整定是根據輸入輸出參數，經模糊推理運算等而得到新的PID參數。

在常規工程項目中的PID回路，Kp用于系統的調節速度，利于提高控制精度，但過大會造成系統波動;Ki用于消除回路穩態誤差;Kd用于改善回路滯后。

控制參數對系統特性的影響：控制曲線中在1段時，應設置較大Kp、小Kd;在2段時，應設置小Kp，Ki、Kd適度;在3 段時，為保證穩定性，應適當增大 Kp、Ki，為克服滯后應根據偏差變化率適當設置Kd值。即自整定PID控制思路為：根據當前誤差、誤差變化率，通過模糊規則對PID控制參數Kp、Ki、Kd進行自動調整，最終達到快速又平穩的控制效果。原理框架如下圖5：

現代實驗室環境監控的實現，通?；诳删幊炭刂破鱌LC的硬件基礎上，現場設置壓力傳感器、控制器、控制閥，以及監視計算機實現集中監控，即監控系統的現場設備層、控制層、監控管理層三層網絡，某項目的網絡結構圖如下圖6：

3.硬件接口和軟件設計

以壓力調節為例，通過壓力傳感器檢測房間壓力值，傳感器根據壓力和自身量程值變送輸出電流信號（4～20MA），該信號傳輸到PLC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，自適應模糊運算對控制參數調整后輸出給PID模塊。參數自整定PID的實現，除了常規PLC具有的PID功能模塊外，還需要開發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用。信號流及功能關系如下圖7示：

（1）硬件接口說明

現代工業監控系統中，硬件接口通常都已標準化了，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+網絡，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的網絡通常為PROFINET及PROFIBUS DP等，計算機與控制單元PLC的網絡常用Internet。實驗室風閥控制通常采用電動風閥執行器，根據房間情況配置不同開關速度的型號，當實驗房間有生物安全柜等設備時因安全等要求需要配置開關較快執行器，如全行程時間在5S以內。

（2）軟件原理及編程

根據模糊控制原理，在實驗室房間壓力系統中，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]。房間壓力快速風閥的控制通?？刹挥梦⒎肿饔谩?/p>

制定模糊控制規則的主要依據PID參數自整定原則，也基于工程項目人員實際經驗，增量式模糊PID優化規則如下：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化調節。

（4）自整定程序的應用

自整定模糊運算模塊開發好以后，可在其他程序中多次調用，每周期執行的結果用于對應PID控制模塊?？刂茀涤嬎阈拚闹芷诳筛鶕嶋H情況進行調整，即控制周期可進行調整，常規回路可設置為0.5～1秒。初始的PID控制參數，在系統運行前通過規則數據庫（圖8中，DB20的靜態變量）進行設置。

圖8為西門子博圖V16開發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。其中數據塊DB20保存自整定經驗參數、自整定后的更新參數以及安全極限參數，數據塊DB19為壓力控制PID的參數，自整定后的參數如下程序賦值給PID。

為了快速達到房間壓力穩定并使整個機組所對應系統壓力平衡，克服比如房間開門、房間內通風柜突然開啟或關閉、甚至系統停機再開機等因素造成房間壓力突變，我們會記憶穩態下的控制參數到上述的規則數據庫中，當房間恢復正?；蛳到y恢復正常時，控制系統直接使閥門開度、PID參數等恢復到穩態時的值，以使系統以最快速度達到穩態時的相對狀態，在此基礎逐步再調整。

另外，為了克服房間開關門對房間壓力的影響，可以通過安裝門磁開關來檢測門的狀態，控制系統在開門期間不對房間的送風和排風閥門進行壓力調整，以使整個系統壓力不被破壞，而開門的房間短時間內的開關門也影響甚微。如果房間壓力穩定性要求較高，不允許存在負壓等情況出現，那么可以配置送風和排風閥為快速動作型。此外，也可以對房間的門設計為互鎖門，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，參數自整定的應用對實驗室房間壓力調整的速度和精度控制都得到了提高，監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：圖中表示設定值改變SP1（22Pa）到SP2（45Pa），以及恢復過程，其控制精度基本在3Pa以內。

4.結束語

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

本文說明的自整定技術，實施起來簡單，基本不需要對控制器運算有特別要求，在原系統控制程序里增加優化及數據模塊即可實現，因此具有較好的工程應用價值。由于文中應用的是增量式優化算法，初始參數需要靠經驗數據，方便應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。

上海集靈信息技術有限公司 ?上海 ?201119