潔凈手術室凈化空調自動控制系統設計

一、引言
當前，隨著醫療水平的提高，手術室環境成為展現醫院硬件環境的重要組成部分。而為減少手術室的環境污染，保持一定的溫度和濕度顯得非常重要。但醫院手術室每天都有大量的手術，其中的無影燈、照明燈等對室內的溫度和濕度產生很大的影響，很難保持恒定的溫度和濕度。而溫度和濕度通常被認為是評價潔凈手術的重要指標，如手術室中房間溫度超過60%，細菌會在手術室內大量繁殖，從而嚴重影響到手術的安全。因此，如何借助手術室內的空調系統實現對溫度和濕度的調節，成為當前思考的重點。但通過對相關的文獻總結發現，當前針對手術室潔凈空調控制設計中，除從硬件和軟件的角度入手之外，還主要對溫濕度控制存在的不確定性進行了研究，如通過PID算法對溫濕度進行控制。本文則在傳統設計角度基礎上，著重對傳統的PID算法在控制精度方面存在的問題進行改進，從而提高手術室溫濕度控制精度。
二、系統功能需求
結合手術室溫濕度控制需求，筆者認為該系統主要包括以下幾點需求:
（1）溫度控制要求
借助手術室風管里安裝的溫度傳感器對數據的采集，將信號直接傳送給PLC 處理器。PLC 根據測定的溫度與標準溫度比較，并結合PID 算法進行計算，得到輸出信號。將結果信號傳遞給誒模擬輸出量，執行相應的命令操作，如打開冷凍/ 熱水調節閥，達到對溫度的控制。
（2）濕度控制
對手術室來講，不同的氣候條件下對濕度的要求不同。如在冬季條件下，通常通過加濕器的方式實現對室內濕度控制的目的，而在夏季條件下，除采用加濕器進行加濕外，還會采用水閥調節器進行調節。對此，同樣利用風管里安放的溫濕度傳感器對數據進行采集，最后通過PLC輸出相應的數據模擬量，達到最不同閥門控制的目的。
（3）壓力控制需求
根據手術室通風工藝要求，其風道的壓力必須保持在一定范圍之內，最終達到滿足醫用的要求。因此，系統會以管道內的回風壓力檢測傳感器檢測到的壓力作為依據，通過PID對輸出頻率的控制，達到對送風系統的驅動，達到對整個室內壓力控制的需求。
（4）人機操作界面需求
 在對溫濕度進行控制中，可通過直觀的人機操作界面對不同的功能進行控制，并實時的將監測到的溫度和濕度顯示出來，從而更好實現控制。
（5）安全需求
在該系統中，可能會存在送風機故障、加濕器故障、水閥調節故障，對此，針對這些故障，需要通過聲光報警的方式提醒系統管理人員，從而保障整個系統運行的安全。
三、系統運行設計
結合上述需求，本文將醫院手術室凈化空調控制系統的整體架構設計為如圖1 所示。
      通過圖1 看出，系統整體主要分為新風系統和潔凈室兩個重要部分。其中新風部分主要通過導入口和過濾系統，從而實現對新鮮空氣的輸入。而通過圖1 可知道該系統運行的流程為：通過新風系統將新鮮的空氣輸送到各個醫院的手術室；其次，各個手術室的風道入口會安裝量風閥，根據手術室內的壓力、溫度和濕度等數據，會打開煩悶直接引入新風，而不需要手術室工作人員手動操作，以此保證手術室都處在正壓的狀態之下；而手術室產生的回風，則經過空調控制系統和新風系統再循環，實現對能源的節約，減少不必要的氣流波動。
四、PID 算法改進
4. 1 傳統PID 調節原理
PID 調節通常對三個參數進行調節，包括比例(Proportional)、積分( Integral) 和微分( Differential) ，其具體的控制原理則如圖2 所示。   
                     圖2 傳統PID 調節原理
通過圖2 看出，其輸入量e(t) 和輸出量u(t) 之間的關系可以用公式( 1) 來表示。
（1）
其傳遞函數則為:
（2）
4.2 PID 控制數學模型———手術室內溫度模型
對潔凈手術室的構建中，包含多個不同的指標，如溫度、濕度等。本文則以溫度為例，結合能量守恒定律，則有如下表達式:
（3）
其中，Cf 為房間容量系數(KJ/oC) ；Tn 表示房間內空氣的溫度(oC) ；Ms 為送風量(kg /h) ；Ck 為空氣比熱KJ/kgoC ；Ts 為送風溫度( oC) ；qf 為散熱比；Tw 為室外溫度變化量( oC)，r 為室內圍護結構的熱阻。因此，通過公式( 3) 可以推導出溫度傳遞函數：
（4）
而如果考慮到數據在傳輸中的命令執行滯后問題，其傳遞函數則為:
（5）
而從實際角度來看，對溫濕度的調節還與流動人員、室內電氣設備散熱等因素還有關，屬于一個多容對象對此，公式( 5) 通常是近似運算。
4. 3 仿真結果分析
通過利用MATLAB 對上述模型進行仿真，可以得到如圖3 所示的仿真波形。
圖3 PID 仿真波形
通過上述圖可以看出，無論是P、PI、PD 還是PID控制，都存在很大的時延問題，因此，可能會在下一個時刻對溫度和濕度進行超調，影響控制精度。
4.4模糊PID 控制
根據溫度控制功能，并結合模糊規則，引入溫度溫差e，溫差變化率△ e 分別作為輸入變量E、EC，以輸出電流作為輸出變量ΔU，由此可以得到如圖4 所示的調節原理。
    同時結合模糊規則制定語言值模糊表，具體如表1。
4. 5 仿真結果
同樣應用MATLAB 軟件對模糊規則的控制算法進行仿真，可以得到如圖5 所示結果。
結論
通過運用模糊規則仿真，并最終通過圖5 驗證，證明模糊規則在解決溫度控制的時滯方面具有非常重要的作用，對提高手術室控制的精度也起到了很好的作用。