基于 PID算法的负压舱控制

宋翠翠

兵器科学与技术学院，西安工业大学，西安

摘要：自2019年的新型冠状病毒传染病的爆发，至今仍对世界各地有着巨大的影响。为了阻止该流行病的传播，在运输过程中有效隔离感染患者，使负压舱成为关键设备。负压舱是一种特殊的隔离设备，通过保持舱内相对于大气的负压，将感染病毒的患者与健康人隔离。由于负压舱进出口气流复杂，负压舱压力控制系统是一个非线性系统。负压舱的数学模型比较复杂，因此基于模型的控制器设计方法很难应用。比例积分微分控制器因其结构简单，即使对于光滑的非线性系统，也能在预定的工作点上获得满意的性能而得到广泛应用。本文采用PID控制算法，避免了模型或参数的不确定性影响。实验结果表明了该控制方法的有效性。

关键字：负压舱；压力控制系统；PID控制算法

Ⅰ 引言

自2019年以来，世界各地的人们都饱受新型冠状病毒（Corona Virus Disease 2019，COVID-19）^[1-2]的侵害，这种传染病除了具有传播速度快还有隐蔽时间长的特点，使得人在不察觉的情况下感染病毒，并由此传播。到目前为止，它在西方国家和印度等地广泛传播，并在传播速度上变异的更加快速，因此如何确保患者在运送过程中得到有效隔离，从而提供紧急救援是一个重要问题。负压舱是一种可以将感染患者与空气隔离的设备，以减少患者在运输过程中感染的可能性和病毒对医务人员的侵害。

负压舱有一个流入新鲜空气的入口和一个用于将处理后的空气从舱内排放到大气中的出口。对于固定的进气阀开度，由电机驱动的气泵控制出口的空气流量，从而控制负压舱舱内的空气流量，达到目标压强。负压舱有两个功能：第一个功能是维持舱内的负压，使病毒可以留在机舱内，不会四溢泄漏。第二个功能是保持进入机舱的新鲜空气流量，以便为患者提供足够的新鲜空气。由于座舱进口和出口处的复杂气流，压力控制系统是一个固有的非线性系统。

国内外关于负压舱控制系统的学术报告不多，国外负压舱发展较早，例如美国、以色列、澳大利亚等国对负压舱进行了研究，包括美国Ferno公司的ISO舱型负压舱、以色列Beit El公司的Isoark N36-2便携式负压舱、澳大利亚的Bartlett便携式医疗隔离装置^[3-4]，北京科力爱尔生物实验室工程有限公司生产的ST-120生物安全负压隔离担架和天津军事医学科学院生产的S-2014负压隔离转移舱^[5]。迄今为止，关于负压舱压力控制系统的数学模型，目前鲜有报道。故根据数学模型设计控制器参数难以实现，故本文压力控制主要由常规PID控制器实现，参数采用工程方法调节，无需系统模型。从控制工程的角度来看，系统动态是不可恢复的，它在控制系统中具有根本性的风险。另一方面，系统动力学有助于理解所考虑系统的响应。

本文的主要贡献如下：1）搭建了负压舱控制系统，并详细介绍了系统的工作机理和具有的功能。2）将PID控制应用于该控制系统中，对负压舱的研究更进一步。论文的其余部分组织如下：第Ⅱ节介绍了整个负压舱控制系统以及配置。第Ⅲ节介绍了适应于该控制系统的PID控制器，并给出了实验结果和相应的分析。结论见第Ⅳ节。

Ⅱ 负压舱控制系统

负压舱用于运送患者且保障一个舒适安全的环境，因此该负压舱的基本功能应包括：可以实时的显示负压舱内外的压差、舱内温度和湿度，始终保证一个安全的环境；当电池电压低于预设值，舱内压力异常或者舱内温湿度异常时报警；在控制面板上，操作员可以随时调整驾驶室内所需的压力。负压舱具体的结果如图1所示。

图1 负压舱控制系统总体设计

如上图所示，该系统采用STM32F103ZE驱动芯片作为主控制器，采用SN74LS06DR芯片作为直流无刷电机的控制芯片来控制电机的运转。本控制系统中以脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）的占空比完成对电机转速的有效控制，从而调节负压舱内外的气压差。压差传感器用于监测负压舱内外的压差，并且通过模拟数字转换（Analog to Digital，A/D）将压力差信号发送到主控制器。在主控芯片中，将设定的目标压差值与反馈的实际压差值进行比较，误差发送到主控制器中的数字PID控制器。PID控制器输出的PWM信号调节电机转速，从而改变舱体流出的空气流量的流速，调节舱体内外的压强差。同时，更详细的理论计算，如建立整个负压舱系统的数学模型，需要获得电机转速的电流，该电流可由定时器捕获。除以上所述，该系统还具备其他的功能，例如，锂电池的电量可通过电压检测电路和A/D转换进行采集，舱内内置温湿度传感器，通过内部集成电路I2C总线可将数据传送到控制器。设定一个电池电量、压差值和温湿度的阈值，当发生异常时，蜂鸣器可启动报警功能。触摸控制面板以串口通信的方式实时监控负压舱，面板上可显示舱内外压强差的历史曲线和当前数值、电池电量状态、舱内温湿度以及当前时间等信息，同时也可以通过该面板设置需要的压强差值。

Ⅲ PID控制算法

PID控制的精髓就是根据被控对象的实际值与期望值（控制目标）之间的偏差形成控制策略，只要合理整定PID增益使闭环系统稳定就能够实现控制目标，这正是经典PID控制方法获得广泛应用的根本原因。其表达式为：

_，（1）

其中表示比例系数；表示积分时间常数；表示微分时间常数。如图2是PID控制系统框图，常规的PID控制系统它的系统结构主要由PID控制器和被控对象组成。

图2 PID控制系统框图

将PID控制算法应用于第Ⅱ节所述的负压舱系统平台上，并且设置目标压差为-30Pa，该目标压差可保证病患安全且舱内病毒不会肆意泄漏。PID算法设置的参数为：

最终可得到如图3所示的系统响应曲线，从图中可以计算得出该响应曲线的超调量为5.6%，稳定时间为6.15s，静态误差为0，控制效果良好，可以满足需求。

图3 将PID应用于系统的响应曲线

Ⅳ 结论

传染病的肆虐增加了市场上对负压舱的需求，并且该负压舱应具有保障病患和其他人安全的基本功能。本文搭建了负压舱控制系统，并对该系统运行机理进行了详细的分析说明。为其他学者的进一步研究提供了有效的思路。为了维持舱内的负压稳定，本文采用PID控制器对负压舱内的压强进行控制。实验结果表明了该方法的有效性。干扰抑制方法和参数优化的PID控制器是负压舱控制系统的未来发展方向，这将是未来的研究方向。

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