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        廣東深圳專業醫療器材外形工業產品設計醫療建筑空調自控系統設計與應用
        -醫療建筑空調自控系統設計與應用
        2019/03/05
        摘 要   醫療建筑中的手術室、ICU、CCU等科室都對空氣潔凈度、溫度、濕度有嚴格限制。
        文章提出了一種基于模糊控制技術的應用于醫療建筑變風量空調系統控制的方法,探討了空調自動控制系統的軟、硬件設計方案,使系統運行優化,從而達到節能降耗的目的。

          
          
          關鍵詞
          醫療建筑 變風量 工控機 模糊控制
          
          
          Abstract
          Many departments of the hospital there are strict limits on air cleanliness, temperature, humidity, such as operating room, the ICU, CCU, intensive care unit and other. In this paper, we propose a method that Controlled variable air volume air conditioning system based on fuzzy control technology used in the medical building. The same time, we discussed the air-conditioning automatic control system hardware and software design, so as to achieve the purpose of energy saving.
          
          Keywords
          Medicl building Variable Air Volume Industral Fuzzy control
          
          
          一、引言
          在科技日益發展的今天,醫療建筑中對空氣環境質量有嚴格規定的場所越來越多,要求也越來越高。
        譬如,醫療建筑中的手術室、ICU、CCU等科室都對空氣潔凈度、溫度、濕度有嚴格限制。
        對于精確的控制參數,普通的定風量空調系統存在反應緩慢、控制誤差大的缺點,很難滿足使用要求。
        而變風量系統應用變頻器對風機進行調速,通過改變送風量來調節室溫,具有靈敏度高、反應快、控制準確的優點。
        為了保證醫療建筑重要場所空調系統工作的可靠性,通常輔以自動化程度較高的DDC等工控設備進行控制管理,使其系統運行優化,達到節能降耗的目的。

          
          二、變風量空調系統形式及流程
          系統主要有送風機、回風機、粗效過濾器、加濕器、加熱器、表冷器及一定數量的電動閥門、風管組成。
        室內空氣經由回風機,將室內空氣吸入空調機組,排出部分空氣后與室外新風混合先后送入粗效過濾器、表冷器(夏季用)、加熱器(冬季用)、加濕器(冬季用)進行處理,再經送風機、中效過濾器送入室內(見圖1)。

          
          三、變風量空調系統工作原理
          由空氣調節原理可知,某一空間內的溫度若要發生改變,必須施加外界影響因素使空間內的空氣熱流量產生變化。
        降低室內溫度需送入的冷氣量為:
           Q=C?P?L(tn-ts)
          式中C:空氣比熱容[kj/(kg?℃)]
          P:空氣密度(kg/m3)
          L:送風量(m3)
          tn:室內溫度(℃)
          ts:送風溫度(℃)
          Q:吸收室內的熱流量(kw)
           由上式,設L為一常數,如果吸收相同的熱流量,改變送風溫度,可以改變熱流量Q的值。
        ts值越小,吸收熱流量Q的值越大,調節送風溫度就可以適應室內熱負荷變化。
        目前普遍使用的定風量空調系統就是依廣東深圳專業醫用設備器材工業產品設計人性化設計在工業設計中應用此原理,根據回風溫度控制表冷器回水閥的開度來控制送風溫度,達到調節室溫的目的。

          變風量空調系統則是另辟蹊徑,不是改變送風溫度而是通過改變送風量來維持室溫恒定。
        設送風溫度ts為一常數,改變送風量L可以獲得不同的Q值來調節室溫。
        工程實踐中通常使用變頻器調節風機轉速來控制送風量。

          空調系統中所用風機為交流三相異步電動機,若改變電機轉速,僅僅改變頻率f是不夠的,同時還要改變電壓U,使U/f保持恒定。
        所以,變頻器通常在改變頻率的同時改變電壓幅值。

          
          四、變風量空調系統自動控制要求
         ?。ㄒ唬┫到y風量的自動控制
          本系統為單區系統,取末端70%~100%管道靜壓作控制主參數,根據參數變化調節風機轉速。
        當房間內熱負荷需要增加或減少時,管道靜壓傳感器將風壓變化測出,反饋回變頻器輸入環節,變頻器控制單元根據反饋信號調整風機轉速,增加或減少風量。
        當室內熱負荷逐漸到達設定值時,管道靜壓傳感器恢復常態,系統取得新的平衡。

         ?。ǘ┗仫L機的自動控制
          回風機正常情況下與送風機聯鎖隨動,并且其回風量要小于送風量。
        風機采用風量追蹤控制,取送、回風機進出口壓差信號作控制參數,當壓差超出設定值時,調整回風機轉速維持送、回風機固定壓差。

         ?。ㄈ┫鄬穸鹊淖詣涌刂?
          控制方式為二位式調節,通過改變送風含濕量來調節室內相對濕度。
        通常取回風相對濕度作控制參數來決定加濕器的啟停。

         ?。ㄋ模┬嘛L閥、回風閥、排風閥的自動控制
          為了保證室內空氣清新度,送風應包含一定數量的新風,回風量中有廣東深圳專業便攜式監護儀產品設計公司移動服務產品設計過程中的關鍵因素70%要排出系統,新風只利用總量30%,所以按比例調整風道電動閥的開度,就可以滿足送風質量要求。

         ?。ㄎ澹┫到y運行參數的檢測
          變風量系統為完成自控要求,需要實時檢測各項性能參數,內容主要包括:
          1.模擬量輸入:新風溫濕度傳感器、回風溫濕度傳感器、處理后送風空氣的溫濕度傳感器、空間溫濕度傳感器;
          2.模擬量輸出:表冷器、加熱器的三通調節閥、蒸汽加濕器調節閥、電動風門調節閥;
          3.開關量輸入:送風機的運行狀態、回風機的運行狀態、送回風機的過載報警、過濾器過阻報警、防火閥報警;
          4.開關量輸出:送風機啟停、回風機啟停、各信號指示燈。

         ?。〥DC控制器必須完成主要廣東深圳專業醫療器械外形工業產品設計電子醫療文檔在跨區域醫療信息系統共享的探討功能
          1.空調區域溫濕度檢測與顯示,根據空調區域的面積采用若干個溫度/濕度傳感器將其信號取平均值計算;
          2.空調區域溫度濕度的自動控制;
          3.表冷器或加熱器上三通閥開度電動風閥開度,能在現場控制柜上顯示及手動調節;
          4.新風溫度濕度檢測與顯送,回風機運行狀態開機/停機顯示;
          5.送回風機啟??刂?,可自動啟停風機也可在控制器上手動啟停風機;
          6.送回風機的過載故障報警;
          7.送回風機與防火閥聯鎖,發生火災時防火閥報警并自動關閉送回風機與風閥;
          8.過濾器過阻報警,提醒運行操作人員及時清洗更換過濾器;
          9.自動調節表冷器或加熱器上的三通閥和電動風閥的開度,以調節冷凍水的流量和新風與回風的比例;
          10.與中央管理微機通訊,接受管理微機的管理指令并發送出管理微機所需要的數據。

          
          五、模糊控制理論基礎
          模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語言變量以及模糊邏輯推理為數學基礎的新型計算機控制方法。
        它是一種非線性控制,屬于智能控制的范疇,而且已成為目前實現智能控制的一種重要而又有效的形式。
        模糊控制是在總結人的控制行為,遵循反饋及反饋控制的基礎上,把人的控制行為規律用模糊語言固化為模糊控制規則從而進行控制的一種方式。
        在傳統模糊控制基礎上引入了控制領域中廣泛應用的PID控制與模糊控制器進行協調控制,克服了單純采用模糊控制精度低、消除穩態誤差能力差的缺點,能夠提高空調系統的運行效率,達到高效節能的效果。

          由于模糊控制不是基于被控系統的精確數學模型基礎之上的,因此,對那些用經典控制方式不能取得很好效果的具有非線性、時變性、強耦合等特點的系統,往往能收到令人滿意的效果。

         ?。ㄒ唬┠:刂葡到y的基本組成
          模糊控制算法是一種新型的計算機控制算法,因此,模糊控制系統具有數字控制系統的一般結構形式,其系統組成如圖2所示。

          模糊控制器是整個系統的核心,實際上是一臺微型計算機,主要完成輸入量的模糊化、模糊關系運算、模糊決策以及決策結果的反模糊化處理(精確化)等重要過程。
        輸入/輸出接口電路主要包括前向通道中的A/D轉換電路以及后向通道中的D/A轉換電路等兩個轉換電路 。
        廣義對象包括執行機構和被控對象。
        常見的執行機構包括電磁閥、伺服電動機等。
        被控對象可以是線性的,可以是非線性的,也可以是時變的。
        傳感器也就是檢測裝置,它負責把被控對象的輸出信號(往往是非電量,如溫度、濕度、壓力、液位、濃度等)轉換為對應的電信號(一般為0~5V電壓,或0~10mA電流)。

         ?。ǘ┠:刂破鞯慕Y構
          從功能上劃分,它主要由4個部分組成,即模糊化接口、知識庫、推理機以及解模糊接口。

          1.模糊化接口:由數據采集得到的狀態變量都是精確量,要實現模糊控制算法,必須將精確量轉化為模糊量。
        將精確量(數字量)轉換為模糊量的過程稱為模糊化,或稱為模糊量化。
        模糊語言變量用相應的模糊集合表示。

          2.知識庫:知識庫包括具體應用領域中的知識和要求的控制目標,它通常由數據庫和規則庫兩部分組成。
        數據庫主要包括各語言變量的隸屬函數,尺度變換因子以及模糊空間的分級等。
        規則庫包括了用模糊語言表示的一系列控制規則,它們反映了控制專家的經驗和知識。

          3.推理機:推理機就是采用某種模糊推理方法,由采樣時刻的輸入和模糊控制規則推導出模糊控制器的控制輸出,目前普遍采用的推理方法是最大―最小推理法。

          4.解模糊接口:模糊推理得到的是模糊量,要對系統廣東深圳專業中頻電磁治療儀產品設計公司醫院醫療器械維修的現代化管理進行控制,必須把模糊量轉化成精確量。
        解模糊接口的作用就是將語言表達的模糊量映射成精確量,也就是根據輸出模糊子集的隸屬度計算出確定的輸出值。
        目前控制領域中常用的清晰化方法是加權平均法,即面積重心法。

          
          六、空調自控系統硬件設計
          空氣處理機組采用ATMEL公司的89C52單片機為核心的直接數字控制器來實現對空調系統中溫濕度、壓力等數據的采集、處理和控制。
        該控制器由89C52單片機、數據存儲器2816(RAM)及DMC16230型液晶顯示器LCD等組成一個現場的單片機數字控制系統。
        其硬件原理圖如圖3所示。

          
          七、空調自控系統軟件設計
          DDC控制器的應用軟件應采用模塊化方法:首先,把軟件設計任務按功能劃分為若干模塊,如數據采集模塊、數據處理模塊、報警模塊、控制模塊和故障診斷模塊等;接著依據測控時序和模塊之間的關系給出應用軟件的功能流程圖;然后對每一功能模塊再進行編程和調試工作。

          空氣處理機組的主要控制對象是空調區域內的溫度,它是一個典型的存在著純滯后的大慣性被調量,而且在中央空調系統運行過程中影響室溫變化的被調區域的空調負荷與室外氣候條件、室內設備使用情況、室內人員流動情況等諸多隨機因素以及圍護結構、室內物體、空調系統本身等因素有關,其中有些因素的日變化幅度較大,因而難以用精確的數學模型來描述,用傳統的調節方式很難達到最佳控制和節能的目的。

          大量的應用實踐表明,數字PID控制有算法和控制器結構較簡單、有一定魯棒性、控制穩態誤差能力強的優點。
        模糊控制的優點是魯棒性好,無需知道被控對象的數學模型,但容易因控制規則的粗糙而引起穩態誤差。
        這里采用了一種復合模糊控制的方法,當系統處于過渡過程時采用模糊控制,進入穩態過程后如有穩態誤差,則切換到PID控制,消除穩態誤差之后再切換到模糊控制。
        這樣既有模糊控制靈活響應快和適應性強的優點,又具有PID控制精度高、克服穩態誤差能力強的特點。

          在空氣處理機組的DDC控制器中被控對象為區域溫度,輸入量是測得的室溫值,輸出量是冷卻器中的冷凍水流量,控制算法中用到的是速率式PID算法,算法如下:
          △u(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)+KD[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
          從仿真和實驗的結果來看,這種復合模糊控制的方法響應快,魯棒性強,能有效克服穩態誤差,參數調整方便,能有效地克服純滯后對控制系統的不利影響,在滯后和參數變化比較大及有干擾時對室溫仍能取得較好的控制效果。

          整個控制系統可靠性及靈敏性的實現,很大程度上依賴于信號采集環廣東深圳專業醫療設備器械工業產品設計商業驅動型研發節的準確度,為了提高傳感器數據采集的信噪比,硬件采用R-C濾波電路和電磁屏蔽措施,軟件方面采用限幅濾波消除尖峰干擾、算術平均值濾波平滑波形。

          控制系統在每個控制周期內自動對工控機、A/D、D/A轉換板和外圍設備如傳感器、執行裝置等進行巡檢。
        同時,系統中各分支系統也不定時進行程序自檢,保證控制系統的可靠性和實時性。
        在巡檢過程中發現某元件出現錯誤或故障時,系統顯示器能及時報警并顯示故障信息,如故障部位、類型等,為工作人員提供維護方面的幫助。
        由于被控對象存在純滯后和大慣性,電動閥動作機構等受控部件動作頻率不宜過高,系統控制周期根據不同工況設定為連續可調。

          由于空調系統回風溫度、濕度接近于機房室內溫、濕度,因此可以將回風溫度、濕度作為系統調節室內環境變化的主控參數。
        空調系統可分為三種工作狀況:夏季工況,冬季工況,春秋季節過渡工況。
        針對不同工況,需根據不同對象特性相應調整控制參數,采取適宜的控制算法,方能獲得良好的控制品質。

          溫度控制主要依靠溫度傳感器、表冷器或加熱器、變頻風機、電動閥及控制軟件完成過程控制。
        夏冬季節,自控系統通過調節表冷器兩通閥改變冷水量,同時調節風機轉速改變送風量調節室溫。
        由于回風溫度傳感器存在傳遞滯后,采取PID控制和模糊控制結合的控制方法,利用PID控制減小靜態誤差,利用模糊控制提高系統動態反應快速性。
        過渡季節工況時,一般是通過控制風機轉速及送風閥開度來調節室溫。

          濕度控制在夏季工況中依靠調節電動冷水閥完成控制功能,調節過程應用最大值選擇的控制方法。
        冬季時節,濕度控制依靠電動蒸汽加濕閥的調節作用,由于存在傳遞滯后現象,為避免通入蒸汽量過多導致加濕器過熱,采用PID控制和模糊控制結合的控制方法。
        而過渡季節的濕度控制相對較為簡單,只需對室內外空氣自然混廣東深圳專業醫用器械外殼工業產品設計醫療器械電子設備的維修技術探討風即可滿足環境要求。

          聯鎖控制可根據邏輯關系進行編程。
        風閥必須在風機建立風壓后才能打開。

          
          八、系統仿真分析
          1.為了說明復合模糊參數控制器的良好控制性能,對冬季室溫為-7℃,設定值為23℃時和夏季室溫為36℃,設定值為28℃時的極限情況作仿真實驗,并與預定參數下的常規 PID 控制方式做了比較。
        不管在夏季進行調節還是在冬季進行調節, 復合模糊控制均取得了比常規 PID 控制更高的快速性和穩定性,超調小、振蕩輕、過渡過程時間快,控制性能顯著提高等優勢。

          2.當系統達到穩態后加入干擾,進行魯棒性分析。
        串級控制系統擾動可分為外環擾動和 內環擾動。
        外環擾動為被控房間存在的諸多干擾因素,如:門、窗突然打開,室內人員流動等,這些因素等效為房間溫度的階躍干擾。
        內環擾動為管路壓力偶然增大(或減?。┮痖y門開度未變而風量改變,從而影響室溫,該因素等效為風量的階躍擾動。
        加入內、外擾動后,擾動使復合模糊控制系統偏離穩態值的幅度很小、系統無振蕩且又能較快達到穩態。
        而同樣擾動使常規 PID 控制偏離穩態值的幅度大,產生小振蕩,達到穩態的時間較長。

          3.當房間熱慣性時間常數由于某原因變化時,模糊控制超調的增加相對很多,且其過渡時間基本未變,無振蕩產生。
        相對常規 PID 控制優勢較大。

          
          九、節能比較
          有資料顯示,變風量空調系統的節能效果十分明顯。
        當系統運行于50%風量時,變頻器僅使用了15%左右的最大功耗,而定風量系統大部分運行于50%~90%最大功耗,相對而言節能范圍高達25%~85%,節能功效十分顯著,可大大加快投資回收時間。

          
          十、結束語
          綜上所述,空調控制是醫療建筑中的一個重要部分,運用新技術來提高空調節能效果和控制能源損耗有著很大的現實意義。
        空調自控系統的設計方法在具體應用中還要參考現場實際情況及控制要求做出相應變化、調整。
        這種方法能夠有效地提高空調系統的運行效率和節能效果。
        相信伴隨著科技的不斷進步和國民經濟的持續發展,空調自控系統將會有更為廣闊的應用空間。
        (編輯 馬孝民)
          
          
          參考文獻
         ?。?]李景滿,李明.淺談樓宇廣東深圳專業醫用電子產品開發工業產品設計醫療建筑庭院空間人性化設計研究自控系統的節能問題[J].工程設計CAD及自動化,1997.7
         ?。?]何平,王鴻緒.模糊控制器的設計與應用[M].北京:科學出版社,1998
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