参数自整定在实验室房间压力控制中的应用

朱太玉

摘要：生物实验室要求实验房间压力恒定，房间之间具有一定的压力梯度，而房间压力控制存在内外多种干扰，房间及走廊等之间也会相互影响，常规单回路PID控制难以快速满足控制要求，而且需要根据实际对象不断调整，参数自整定技术具有快速、自调整、稳定等特点。针对实验室房间压力控制需求，本文主要介绍了理论结合工程实际实现各种干扰实现生物实验室房间压力控制优化，如何实现控制回路PID参数自整定，减少人工调整的工作量，并能够实现快速调整和控制精度，从而保证房间压力稳定。

关键词：生物实验室;参数自整定;PID参数;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

近年來国内医药行业发展迅速，新建实验室工程项目较多，尤其发生新冠疫情以来，各级生物安全实验室项目的快速设计与建设必要性尤其突出。由于生物安全实验室环境性质要求，充分保证实验人员的健康和安全，对其环境类监测控制要求越来越高。不同用途、不同等级的生物安全实验室，对房间压力监控要求会有所不同。出于安全考虑，生物安全实验室对房间压力要求尤其严格。实验室配套空调洁净系统实现房间压力恒定及保证区域间压力梯度，保证房间换气次数，而房间压力存在内外多种干扰，如系统及各区域的送风风量、房间内生物安全柜、通风柜及房间工艺排风量，以及高中效过滤器长期使用带来的阻力变化等因素，另外房间与房间之间、房间及走廊等之间压力也会相互干扰影响，因此实验室房间压力的控制是暖通洁净自控系统的重点，也是难点。为了稳定控制且能够根据运行条件的变化自动、快速调整主要对象的回路控制参数，设计开发一种能够自动整定调节性能的控制方案势在必行，本文结合企业生产实际课题，结合经典控制理论基础和自学习模糊控制的先进思路，利用现在控制器硬件具备的快速检测计算能力，开发一种适合实验室压力控制方法，实现各个回路PID参数自整定，减少人工调整的工作量，并能够实现快速调整和控制精度，从而保证房间压力稳定。生物安全实验室暖通洁净自控系统总体控制思路为：送风风量采用变频控制，频率控制依据采用定风量或静压，排风风机保证排风管静压稳定，这样达到风量系统的动态平衡。送排风风机控制以稳定为主，使其送排风量波动较小;房间压力控制因生物安全柜、通风柜等设备的使用需快速进行房间送排风的控制。房间压力控制方式通常有以下几种：第一为根据房间压差自动调节送排风风阀开度，第二为控制房间余风量（送风量与排风量之差）来实现房间压力，第三种为余风量作为基本控制方式，同时加入压差传感器对余风量进行再设定，最终保证房间压力稳定。不管哪种控制方案，都需要根据上述干扰而快速响应，以满足室内有毒有害气体物质排出（满足房间负压以及排风柜面风速的要求）而不影响人员的健康和安全。整套控制部分主要涉及监测、控制器、执行器等硬件和监测控制软件，硬件主要采用PLC等监测计算较强的控制器、变风量阀或快速风阀执行器、传感器等，硬件部分在常规工程项目中基本能够满足要求，本文主要介绍控制方案及控制软件部分。由于实验室压力控制现在广泛应用于暖通洁净监控，本文提出的控制回路参数自整定方法对实验室及洁净环境压力监控的设计具有实用价值。

2.压力监控的系统分析及整体方案设计

实验室为满足功能要求设计不同区域，不同区域会有不同洁净度、温湿度以及压力等需求，有些房间需保证有毒有害气体物质安全流动及排放。下图1、2分别为房间送排风和常见的控制示意图：

房间压力监控主要存在以下干扰：

1）房间通风柜的随机开停，造成排风量变化，使房间压力出现波动;

2）某个房间的压力波动，造成对整个机组的送排风压力波动，从而使房间压力波动;

3）房间开关门，造成房间压力大幅波动;

基于以上原因分析可得，实验室房间压力具有非线性、时变特性，经典PID难以满足控制要求，即房间压力调节需快速响应，而压力平稳时需保证控制输出稳定。

为解决以上矛盾，需要找到一种办法：控制器参数在线自整定技术，让控制系统能够在运行之前初步配置，开始运行后能够根据系统和环境差异自动将控制参数调整到最佳值，减少大量重复耗时的工作，而且使控制性能得到保证。本自整定控制方法，是常规PID 控制結合模糊控制原理，单回路 PID是工业监控中工程师常用方法，方便理解和使用，而模糊控制则是快速消除上述各种干扰，利用简单模糊推理自动调整单回路的控制参数，最终达到控制精度并具有自适应的控制效果。

控制参数在线优化整定算法，其原理框架如下图3：

其中，控制参数存放PID控制器的Kp、Ki、Kd等参数，在系统投用前为工程经验数值，系统投用后为实时更新。规则数据是控制基本规则及初始参数值，如工程经验的极限值、安全值、PID参数。优化整定是根据输入输出参数，经模糊推理运算等而得到新的PID参数。

在常规工程项目中的PID回路，Kp用于系统的调节速度，利于提高控制精度，但过大会造成系统波动;Ki用于消除回路稳态误差;Kd用于改善回路滞后。

控制参数对系统特性的影响：控制曲线中在1段时，应设置较大Kp、小Kd;在2段时，应设置小Kp，Ki、Kd适度;在3 段时，为保证稳定性，应适当增大 Kp、Ki，为克服滞后应根据偏差变化率适当设置Kd值。即自整定PID控制思路为：根据当前误差、误差变化率，通过模糊规则对PID控制参数Kp、Ki、Kd进行自动调整，最终达到快速又平稳的控制效果。原理框架如下图5：

现代实验室环境监控的实现，通常基于可编程控制器PLC的硬件基础上，现场设置压力传感器、控制器、控制阀，以及监视计算机实现集中监控，即监控系统的现场设备层、控制层、监控管理层三层网络，某项目的网络结构图如下图6：

3.硬件接口和软件设计

以压力调节为例，通过压力传感器检测房间压力值，传感器根据压力和自身量程值变送输出电流信号（4～20MA），该信号传输到PLC的AI模块，PLC接收到信号后作为PID控制回路的过程值PV，进行PID的运算，自适应模糊运算对控制参数调整后输出给PID模块。参数自整定PID的实现，除了常规PLC具有的PID功能模块外，还需要开发一个模糊算法的功能块，该模糊功能块具有子模块功能，能够作为子模块进行自由调用。信号流及功能关系如下图7示：

（1）硬件接口说明

现代工业监控系统中，硬件接口通常都已标准化了，传感器输出、控制单元模拟量输入AI、控制单元模拟量输出AO，以及控制单元的组成（CPU+IO站+网络，如图6）等。AI、AO模块的信号通常为4～20MA、0～10VDC等，上图中以4～20MA为例，控制单元PLC的网络通常为PROFINET及PROFIBUS DP等，计算机与控制单元PLC的网络常用Internet。实验室风阀控制通常采用电动风阀执行器，根据房间情况配置不同开关速度的型号，当实验房间有生物安全柜等设备时因安全等要求需要配置开关较快执行器，如全行程时间在5S以内。

（2）软件原理及编程

根据模糊控制原理，在实验室房间压力系统中，压力偏差的基本论域取[-xe，xe]，通常为：[-20，20]，单位为Pa;压力偏差变化率的基本论域取[-xc，xc]，通常为[-5，5]，单位为Pa/S。模糊控制模块输出量的基本论域为[-ye，ye]，通常为：Kp [0.1，10]，Ki  [0，300]，Kd  [0，500]。房间压力快速风阀的控制通常可不用微分作用。

制定模糊控制规则的主要依据PID参数自整定原则，也基于工程项目人员实际经验，增量式模糊PID优化规则如下：表1、表2、表3，其中E high、E low、EC high、EC low的值可参考偏差和偏差变化率的高低限而设置，如E high=3 Pa、E low=2 Pa、EC high=2 Pa/S、EC low=1 Pa/S。在实际的项目中偏差、偏差变化率的高低限制，以及控制表中的△Kp（e，ec）、△Ki（e，ec）、△Kd（e，ec）值都可以进行外部（HMI界面上）修改，以达到控制回路的优化调节。

（4）自整定程序的应用

自整定模糊运算模块开发好以后，可在其他程序中多次调用，每周期执行的结果用于对应PID控制模块。控制参数计算修正的周期可根据实际情况进行调整，即控制周期可进行调整，常规回路可设置为0.5～1秒。初始的PID控制参数，在系统运行前通过规则数据库（图8中，DB20的静态变量）进行设置。

图8为西门子博图V16开发的自整定模糊子程序FB1，以及房间ROOM_PT_101自动PID_Compact回路控制。其中数据块DB20保存自整定经验参数、自整定后的更新参数以及安全极限参数，数据块DB19为压力控制PID的参数，自整定后的参数如下程序赋值给PID。

为了快速达到房间压力稳定并使整个机组所对应系统压力平衡，克服比如房间开门、房间内通风柜突然开启或关闭、甚至系统停机再开机等因素造成房间压力突变，我们会记忆稳态下的控制参数到上述的规则数据库中，当房间恢复正常或系统恢复正常时，控制系统直接使阀门开度、PID参数等恢复到稳态时的值，以使系统以最快速度达到稳态时的相对状态，在此基础逐步再调整。

另外，为了克服房间开关门对房间压力的影响，可以通过安装门磁开关来检测门的状态，控制系统在开门期间不对房间的送风和排风阀门进行压力调整，以使整个系统压力不被破坏，而开门的房间短时间内的开关门也影响甚微。如果房间压力稳定性要求较高，不允许存在负压等情况出现，那么可以配置送风和排风阀为快速动作型。此外，也可以对房间的门设计为互锁门，以避免开门对房间压力的影响。

通过工程项目的实际运行可以证明，参数自整定的应用对实验室房间压力调整的速度和精度控制都得到了提高，监控过程中压力超限值报警明显减少。某个实验室项目实际压力控制曲线如下图9：图中表示设定值改变SP1（22Pa）到SP2（45Pa），以及恢复过程，其控制精度基本在3Pa以内。

4.结束语

房间压力稳定性是整个自控系统的核心衡量参数之一，也是难点，本文针对实验室房间压力控制的PID参数自整定方法进行了说明，通过对常规PID控制参数的优化控制，提高了控制回路的快速性，同时保证在稳态时的精度，此外作为自控系统集成工作来说，大大缩减了控制回路整定工作量，减少了重复劳动。

本文说明的自整定技术，实施起来简单，基本不需要对控制器运算有特别要求，在原系统控制程序里增加优化及数据模块即可实现，因此具有较好的工程应用价值。由于文中应用的是增量式优化算法，初始参数需要靠经验数据，方便应用于熟悉的控制对象，但对于未知的控制对象未必会有较好的效果（快速性能），因此初始参数的来源上仍需进行自整定的再研究，可以尝试的方法有继电型PID自整定控制策略等。

上海集灵信息技术有限公司  上海  201119