仿人工呼吸裝置智能水分飽和器氣體輸出控制研究

陳青

（1、撫順中煤科工檢測中心有限公司，遼寧撫順 113122 2、中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧撫順113122 3、煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧撫順 113122）

1 概述

濕度表示空氣中的水蒸氣的含量，是反映大氣干燥度的一個重要指標(biāo)。水分飽和器是模擬人呼氣時所產(chǎn)生的氣體溫度與濕度的儀器，標(biāo)準(zhǔn)要求模擬人體呼出的氣體溫度在37℃±0.5℃，濕度大于95%RH。目前大部分水分飽和器采用數(shù)顯溫度計控制加熱管的方式進行溫度控制，由于數(shù)顯溫度計使用的是位式繼電器控制，即通過繼電器去控制加熱管，當(dāng)溫度低于所需溫度后，加熱管加熱，此時繼電器處于閉合狀態(tài)，當(dāng)溫度達到所需溫度后，加熱管暫停加熱，此時繼電器處于斷開狀態(tài)。這種控制方式很難達到±0.5℃的溫度控制，對實驗的準(zhǔn)確性有著極大的影響。同時，水分飽和器的補水方式是用塑料瓶倒扣的方式，由于呼吸過程中整個系統(tǒng)內(nèi)部的阻力會發(fā)生變化，所以水分飽和器內(nèi)部的水位也會有較大的波動，直接影響溫度與濕度的標(biāo)準(zhǔn)要求。

為解決上述技術(shù)問題，本文研究設(shè)計了一種智能水分飽和器氣體輸出控制系統(tǒng)及方法，能實現(xiàn)對智能水分飽和器輸出氣體的控制。通過該控制系統(tǒng)及方法解決數(shù)顯溫度計使用時難以達到±0.5℃的溫度控制的問題，開創(chuàng)性的使用PLC 觸控一體機控制加熱管的方式，采用PID 算法進行實時溫度控制，極大改善由位式繼電器控制的數(shù)顯溫度計所存在的問題。

2 智能水分飽和器氣體輸出控制系統(tǒng)設(shè)計

此氣體輸出控制系統(tǒng)主要由PLC 控制器、液位監(jiān)測模塊、溫濕度采集模塊、溫濕度恒定模塊組成。圖1 為此水分飽和器的結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 智能水分飽和器氣體輸出控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 PLC控制器。PLC控制器，替代了傳統(tǒng)的繼電器在工業(yè)控制應(yīng)用方面實現(xiàn)了邏輯控制，是一種自帶小型處理器的電子裝置，這種控制器在自動化控制上應(yīng)用較為廣泛。該PLC控制器的存儲器可支持程序編制，并能在任何時候把控制指令載入到存儲器中。PLC能夠接收（即輸入）和發(fā)送（即輸出）各種電氣信號或電子信號，這一特性可對大多數(shù)機械和電氣系統(tǒng)進行控制和監(jiān)督。本系統(tǒng)中采用觸屏PLC一體機，觸屏PLC 一體機用于設(shè)置水分飽和器溫濕度參數(shù)，顯示溫濕度及液位高度數(shù)據(jù)，監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，以曲線/動畫形式描繪水分飽和器氣體輸出自動化控制過程，對配套設(shè)備的產(chǎn)品性能、規(guī)律分析提供參考。

2.2 系統(tǒng)原理。液位監(jiān)測模塊實時監(jiān)測水分飽和器主箱體內(nèi)的液位高度信息并傳輸?shù)絇LC 控制器；溫濕度采集模塊采集水分飽和器主箱體內(nèi)的溫濕度信息并傳輸?shù)絇LC控制器，溫濕度采集模塊包括溫度傳感器和濕度傳感器，其中溫度傳感器采集水分飽和器主箱體內(nèi)的溫度，濕度傳感器采集水分飽和器氣體出口處濕度。

PLC控制器接收用戶設(shè)定的溫濕度信息，并根據(jù)溫濕度采集模塊采集水分飽和器主箱體內(nèi)的溫濕度信息向溫濕度恒定模塊發(fā)送控制信號。

溫濕度恒定模塊包括加熱管、電磁比例閥和補水接口，加熱管和補水接口均放置在水分飽和器主箱體內(nèi)；加熱管通過PLC 控制器的控制信號把水分飽和器主箱體內(nèi)的液體加熱到設(shè)定溫度，為更加清楚的顯示加熱管的工作狀態(tài)是否加熱，系統(tǒng)還包括與PLC 控制器連接的加熱指示燈加熱管加熱時指示燈顯示綠色，不加熱指示燈顯示紅色；電磁比例閥一端接到自來水管或儲水箱中，另一端與補水接口連接，當(dāng)PLC控制器判斷水分飽和器主箱體內(nèi)的液位低于設(shè)定值時，PLC控制器向電磁比例閥發(fā)送開斷的控制信號，進而通過補水接口把水分飽和器主箱體內(nèi)的液位加到設(shè)定值。

3 基于PID 算法的PLC 可編程控制系統(tǒng)

PID 算法是指在過程控制中，根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）和微分（D）進行控制的PID 控制器（也可以稱為PID調(diào)節(jié)器），是應(yīng)用最為廣泛的一種自動控制器。其原理簡單、實施容易方便、應(yīng)用范圍寬泛、所控制的參數(shù)彼此獨立、參數(shù)容易選擇這些均是PID算法的優(yōu)點。PID算法是控制行業(yè)連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛，最能體現(xiàn)反饋控制思想的算法。該控制算法已經(jīng)有100 多年歷史。控制的三要素是系統(tǒng)控制器、被控對象和系統(tǒng)反饋器。如果存在我們不能完全掌握被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，或者其數(shù)學(xué)模型較為模糊，以及其他的控制理論技術(shù)難以被充分運用，而且又要求我們必須依靠經(jīng)驗以及通過現(xiàn)場調(diào)試來確定系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)這種情況時，最為方便的解決辦法就是采用PID控制技術(shù)。大量實踐表明，PID控制方法在工業(yè)領(lǐng)域中得到較好運用，借以產(chǎn)生讓人滿意的結(jié)果。

3.1 PID原理。PID作為一個二階線性控制器，它具有無需建模、控制作用良好、魯棒性強等特點。圖2 為PID控制原理圖。

圖2 PID 原理圖

3.2 PID控制公式。溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，管路作為連接通道貫穿于整個系統(tǒng)中，氣體在管路中的動態(tài)運行，要保持溫度和濕度穩(wěn)定，以不達到凝結(jié)為目的是管路對于溫度控制的精度要求，因此本系統(tǒng)設(shè)計采用PID邏輯算法達到對氣路加熱溫度進行控制的目的，從而保證氣路系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。PID 控制公式為：

式中：

公式中P 為邏輯算法的比例控制規(guī)律，在公式中采用P 控制的規(guī)律可以迅速壓制干擾動態(tài)的影響。當(dāng)設(shè)備溫度和濕度與PLC設(shè)備原定設(shè)計值的誤差大于一定數(shù)值時，如果設(shè)備的被控制參數(shù)在算法一定范圍內(nèi)仍然有一些余差，可以通過增大調(diào)節(jié)P，提高加熱線的輸出功率。

公式中I 為邏輯算法的積分控制規(guī)律，邏輯算法的積分能在比例控制的基礎(chǔ)上減弱一定的誤差。管內(nèi)氣體隨加熱線的加熱，管內(nèi)氣體的溫度和濕度在逐漸上升的過程中，溫度和濕度會有特別慢的滯后現(xiàn)象，又因為設(shè)備所承受的荷載變化幅度比較小，為了能夠減弱這些比較穩(wěn)定且變化慢的誤差，在設(shè)備控制的系統(tǒng)中必需加入邏輯算法的“積分項”。邏輯算法的積分項是對這些比較穩(wěn)定且變化慢的誤差取氣體加熱時間的積分，隨著氣體加熱時間的上升，邏輯算法的積分項會慢慢的變大。因此系統(tǒng)使用邏輯算法的積分去控制規(guī)律后，設(shè)備控制器增大了輸出會讓穩(wěn)定且變化慢的誤差再次進減弱，可使管路的氣體溫度在達到預(yù)先設(shè)定的溫度之前降低加熱線的輸出功率，消除中間環(huán)節(jié)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差。

公式中D為邏輯算法的微分控制規(guī)律，在邏輯算法比例的基礎(chǔ)上加入積分，能減弱誤差，再引入微分，可以再次提升設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過對氣溫的變化趨勢和速度兩個角度可以控制加熱功率。例如：相同時間內(nèi)，加熱功率隨溫度下降為原溫度的二分之一，也會下降為原來的一半。

只能識別離散的數(shù)字量是基于計算機控制系統(tǒng)具有的特性，對常規(guī)的PID邏輯公式中的積分項和微分項進行離散化的處理，可以獲得PID的增量型計算公式：

在公式中，Kp為增量型比例、Ki為增量型積分、Kd為增量型微分系數(shù)。

3.3 PID參數(shù)的整定。PID控制器必須整定的參數(shù)主要有KP（增量型比例）、TI（積分時間常數(shù)）、TD (微分時間常數(shù))和TS (采樣周期)，如果改變了這四個主要參數(shù)中隨意一個參數(shù)，將會導(dǎo)致系統(tǒng)最后的控制效果會存在一定的影響。

在調(diào)節(jié)函數(shù)P(比例)、I(積分)、D(微分)的過程中，當(dāng)溫度濕度誤差信號部分變化時，比例部分也會發(fā)生相同的變化，他們在時間變化上保持一致，當(dāng)誤差信號開始逐漸出現(xiàn)的時，比例部分將會自動對此信號偏差方向產(chǎn)生與使其方向成正比例的調(diào)節(jié)作用。比例系數(shù)KP 的數(shù)值變化越大，系統(tǒng)動態(tài)調(diào)節(jié)的作用效果就越強，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度就會越高。

積分作用與控制器當(dāng)前輸出溫濕度偏差的大小以及輸出誤差的歷史狀況等均互有關(guān)聯(lián)，每當(dāng)輸出偏差值不為正零時，系統(tǒng)控制器當(dāng)時的輸出偏差也就會因其積分變化而不斷發(fā)生改變，直到輸出偏差完全消失，系統(tǒng)再次到達穩(wěn)態(tài)時，積分部分就不會隨控制器的偏差再發(fā)生改變。由此可得，積分部分在一定程度上能夠減弱系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)的誤差，從而增強了系統(tǒng)控制的精度。也存在另一種狀況，如果積分作用的變化的過程非常緩慢，它會減弱系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性。如果積分時間常數(shù)TI逐漸增大時，積分效應(yīng)逐漸下降，這樣的變化，可能使系統(tǒng)整體的動態(tài)性能(穩(wěn)定性)有著明顯提高，但是會造成減弱系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的速率會逐漸降低。

微分部分的作用是根據(jù)系統(tǒng)誤差變動的快慢，提前進行調(diào)節(jié)。對比與比例部分，微分部分的調(diào)節(jié)會比較及時和準(zhǔn)確，這體現(xiàn)出微分部分有著超前預(yù)測的特征，體現(xiàn)出了系統(tǒng)變動的內(nèi)在趨勢。當(dāng)微分時間常數(shù)TD逐漸增大時，會導(dǎo)致超調(diào)量逐漸下降，動態(tài)特性逐漸提升，但對于控制高頻擾動的力量會逐漸減弱。

對于選擇采樣周期TS時，選擇數(shù)據(jù)需要有合理的依據(jù)，有一定的局限性。選取的采樣值需要具有代表性，特殊性。在選擇時需要及時突出模擬量的變化狀態(tài)，在選擇采樣周期TS時，所選取的數(shù)值越小越好。但是還存在這樣一種狀況，如果選取采樣數(shù)值太小又將會導(dǎo)致電腦運行的計算量增加，而且還會使最近所選取的兩次采樣值非常接近，甚至兩次數(shù)據(jù)不會發(fā)生什么改變，因此采樣周期TS取值不能太小，應(yīng)使它遠遠小于系統(tǒng)階躍響應(yīng)的純滯后時間或上升時間。

3.4 濕度反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。整個可編程控制系統(tǒng)的核心部分是濕度反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，貫穿于整個濕度反饋發(fā)生系統(tǒng)中。濕度反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由溫濕度傳感器、PID 控制器、溫濕度采集器等部件組成。該系統(tǒng)的控制原理為：混氣罐中混合氣體檢測到的濕度通過溫濕度傳感器這一媒介反饋給系統(tǒng)，系統(tǒng)將反饋的濕度值與初始設(shè)置的給定值進行比較后產(chǎn)生了偏差，然后根據(jù)濕氣濕度與干濕氣氣體流量之間的相互關(guān)系，使用PID 控制算法通過控制比例閥的開度來控制干濕氣的氣體流量，消除兩者之間產(chǎn)生的濕度誤差。基于PID 算法控制的濕度反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過控制質(zhì)量流量控制器中比例閥的開度控制干濕氣氣體的流量，以達到控制環(huán)境濕度的目的，是一個較為復(fù)雜的間接控制系統(tǒng)。

綜上所述，采用基于PID 算法控制的濕度反饋系統(tǒng)實質(zhì)為根據(jù)系統(tǒng)輸入的值與最后顯示比較值之間存在誤差，為了減弱這種穩(wěn)態(tài)的誤差，就需要在系統(tǒng)控制器中加入“積分項”進行消除余差，再加入微分作用，抑制誤差的作用。采用比例、積分和微分它們所控制的函數(shù)關(guān)系進行運算，從而控制系統(tǒng)輸出的運算結(jié)果。PLC 可編程控制器通過采用PID邏輯算法對實時溫度進行監(jiān)測調(diào)控，精度高，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并有一定的節(jié)能效果。

4 水分飽和器氣體輸出控制方法

水分飽和器氣體輸出控制系統(tǒng)是一個較為復(fù)雜的混合系統(tǒng)。采用了基于C程序語言設(shè)計的便攜式濕度發(fā)生軟件控制系統(tǒng)的控制程序。系統(tǒng)中主要的軟件程序體系包括溫濕度采集傳感器、電加熱驅(qū)動控制模塊、流量檢測模塊、流量控制模塊、人機交互界面顯示模塊等。基于C 語言設(shè)計的溫濕度控制系統(tǒng)主程序流程如圖3 所示。

圖3 溫濕度控制系統(tǒng)程序設(shè)計流程圖

通過PLC 控制器的觸摸屏界面輸入設(shè)定的溫濕度數(shù)據(jù)，PLC 控制器控制液位傳感器采集水分飽和器主箱體內(nèi)的液位高度信息，控制溫度傳感器和濕度傳感器采集水分飽和器主箱體內(nèi)的溫濕度信息，并將采集的水分飽和器主箱體內(nèi)的溫濕度信息與用戶設(shè)定的溫濕度信息進行比較。如果水分飽和器主箱體內(nèi)的溫濕度小于用戶設(shè)定的溫濕度，則PLC 控制器采用PID算法控制加熱管將水分飽和器主箱體內(nèi)的液體溫度加熱到設(shè)定溫度。PLC 控制器根據(jù)液位傳感器采集水分飽和器主箱體內(nèi)的液位高度信息和濕度傳感器采集水分飽和器主箱體內(nèi)的溫濕度信息，計算水分飽和器主箱體內(nèi)的溫濕度要達到設(shè)定值所需要的液體量，然后確定水分飽和器主箱體內(nèi)液位的高度，控制電磁比例閥的開斷將液位增加到所需高度，進而使水分飽和器輸出氣體達到設(shè)定的溫度與濕度。

5 結(jié)論

本文提出的智能水分飽和器氣體輸出控制系統(tǒng)及方法，可使水分飽和器采用PLC 觸控一體機控制加熱管的方式，采用PID 算法進行實時溫度調(diào)控，具有精度高、穩(wěn)定性好、節(jié)能等優(yōu)點，另補水系統(tǒng)采用液位傳感器進行信號采集，控制液位的精度更高。能夠根據(jù)用戶輸入的溫度，與溫度傳感器返回的數(shù)值比較，通過加熱管使輸出的氣體達到一定的溫度與濕度，滿足實驗所需要的標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)不僅具備高精度的溫濕度氣體輸出，同時還可實現(xiàn)水分飽和器內(nèi)水分的自動補給，實現(xiàn)了更長時間的連續(xù)輸出氣體的能力，對相關(guān)配套使用的檢測實驗有著重要的意義。