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。
      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。
    同时结合模糊规则制定语言值模糊表，具体如表1。
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。
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。