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洁净手术室净化空调自动控制系统设计
发布时间:2021-05-06 11:52浏览次数:

洁净手术室净化空调自动控制系统设计

一、引言
当前,随着医疗水平的提高,手术室环境成为展现医院硬件环境的重要组成部分。而为减少手术室的环境污染,保持一定的温度和湿度显得非常重要。但医院手术室每天都有大量的手术,其中的无影灯、照明灯等对室内的温度和湿度产生很大的影响,很难保持恒定的温度和湿度。而温度和湿度通常被认为是评价洁净手术的重要指标,如手术室中房间温度超过60%,细菌会在手术室内大量繁殖,从而严重影响到手术的安全。因此,如何借助手术室内的空调系统实现对温度和湿度的调节,成为当前思考的重点。但通过对相关的文献总结发现,当前针对手术室洁净空调控制设计中,除从硬件和软件的角度入手之外,还主要对温湿度控制存在的不确定性进行了研究,如通过PID算法对温湿度进行控制。本文则在传统设计角度基础上,着重对传统的PID算法在控制精度方面存在的问题进行改进,从而提高手术室温湿度控制精度。
二、系统功能需求
结合手术室温湿度控制需求,笔者认为该系统主要包括以下几点需求:
(1)温度控制要求
借助手术室风管里安装的温度传感器对数据的采集,将信号直接传送给PLC 处理器。PLC 根据测定的温度与标准温度比较,并结合PID 算法进行计算,得到输出信号。将结果信号传递给诶模拟输出量,执行相应的命令操作,如打开冷冻/ 热水调节阀,达到对温度的控制。
(2)湿度控制
对手术室来讲,不同的气候条件下对湿度的要求不同。如在冬季条件下,通常通过加湿器的方式实现对室内湿度控制的目的,而在夏季条件下,除采用加湿器进行加湿外,还会采用水阀调节器进行调节。对此,同样利用风管里安放的温湿度传感器对数据进行采集,最后通过PLC输出相应的数据模拟量,达到最不同阀门控制的目的。
(3)压力控制需求
根据手术室通风工艺要求,其风道的压力必须保持在一定范围之内,最终达到满足医用的要求。因此,系统会以管道内的回风压力检测传感器检测到的压力作为依据,通过PID对输出频率的控制,达到对送风系统的驱动,达到对整个室内压力控制的需求。
(4)人机操作界面需求
 在对温湿度进行控制中,可通过直观的人机操作界面对不同的功能进行控制,并实时的将监测到的温度和湿度显示出来,从而更好实现控制。
(5)安全需求
在该系统中,可能会存在送风机故障、加湿器故障、水阀调节故障,对此,针对这些故障,需要通过声光报警的方式提醒系统管理人员,从而保障整个系统运行的安全。
三、系统运行设计
结合上述需求,本文将医院手术室净化空调控制系统的整体架构设计为如图1 所示。
     
 图1. 系统整体运行架构
通过图1 看出,系统整体主要分为新风系统和洁净室两个重要部分。其中新风部分主要通过导入口和过滤系统,从而实现对新鲜空气的输入。而通过图1 可知道该系统运行的流程为:通过新风系统将新鲜的空气输送到各个医院的手术室;其次,各个手术室的风道入口会安装量风阀,根据手术室内的压力、温度和湿度等数据,会打开烦闷直接引入新风,而不需要手术室工作人员手动操作,以此保证手术室都处在正压的状态之下;而手术室产生的回风,则经过空调控制系统和新风系统再循环,实现对能源的节约,减少不必要的气流波动。
四、PID 算法改进
4. 1 传统PID 调节原理
PID 调节通常对三个参数进行调节,包括比例(Proportional)、积分( Integral) 和微分( Differential) ,其具体的控制原理则如图2 所示。   
                     图2 传统PID 调节原理
通过图2 看出,其输入量e(t) 和输出量u(t) 之间的关系可以用公式( 1) 来表示。
(1)
其传递函数则为:
(2)
4.2 PID 控制数学模型———手术室内温度模型
对洁净手术室的构建中,包含多个不同的指标,如温度、湿度等。本文则以温度为例,结合能量守恒定律,则有如下表达式:
(3)
其中,Cf 为房间容量系数(KJ/oC) ;Tn 表示房间内空气的温度(oC) ;Ms 为送风量(kg /h) ;Ck 为空气比热KJ/kgoC ;Ts 为送风温度( oC) ;qf 为散热比;Tw 为室外温度变化量( oC),r 为室内围护结构的热阻。因此,通过公式( 3) 可以推导出温度传递函数:
(4)
而如果考虑到数据在传输中的命令执行滞后问题,其传递函数则为:
(5)
而从实际角度来看,对温湿度的调节还与流动人员、室内电气设备散热等因素还有关,属于一个多容对象对此,公式( 5) 通常是近似运算。
4. 3 仿真结果分析
通过利用MATLAB 对上述模型进行仿真,可以得到如图3 所示的仿真波形。
图3 PID 仿真波形
通过上述图可以看出,无论是P、PI、PD 还是PID控制,都存在很大的时延问题,因此,可能会在下一个时刻对温度和湿度进行超调,影响控制精度。
4.4模糊PID 控制
根据温度控制功能,并结合模糊规则,引入温度温差e,温差变化率△ e 分别作为输入变量E、EC,以输出电流作为输出变量ΔU,由此可以得到如图4 所示的调节原理。
   
图4 模糊控制原理
同时结合模糊规则制定语言值模糊表,具体如表1。
表1 温度控制模糊规则表

4. 5 仿真结果
同样应用MATLAB 软件对模糊规则的控制算法进行仿真,可以得到如图5 所示结果。
图5 模糊规则仿真结果
结论
通过运用模糊规则仿真,并最终通过图5 验证,证明模糊规则在解决温度控制的时滞方面具有非常重要的作用,对提高手术室控制的精度也起到了很好的作用。
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