自適應(yīng)模糊PID控制在負(fù)壓隔離病房控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

鄧克勇，張理鑫，李志俊

（1.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢430071；2.武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070）

0 引言

自2003年SARS肆虐之后，我國(guó)開(kāi)始意識(shí)到傳染病控制措施的重要性和必要性，多家醫(yī)院先后逐步開(kāi)始建起自己的負(fù)壓隔離病房，因此負(fù)壓隔離病房在我國(guó)不算少數(shù)。但由于一些設(shè)計(jì)單位缺乏一定基本的隔離設(shè)計(jì)知識(shí)，各地負(fù)壓隔離病房的建造規(guī)格也都標(biāo)準(zhǔn)不一，硬件設(shè)施與隔離理念也都不盡相同，因此不同的隔離病房的使用效果都普遍不夠理想。同時(shí)，仍然存在著負(fù)壓隔離效果不穩(wěn)定、隔離時(shí)效性很差、處理和排放污染空氣不規(guī)范等問(wèn)題。本文意在將原有的負(fù)壓隔離病房的控制系統(tǒng)改進(jìn)成為更穩(wěn)定、更具時(shí)效性、更快達(dá)到所需環(huán)境配置要求的負(fù)壓隔離病房控制系統(tǒng)。

由于負(fù)壓隔離病房的控制模型是變量較多、耦合性強(qiáng)且系統(tǒng)不容易保持穩(wěn)定的非線性系統(tǒng)，病房?jī)?nèi)要求具有均勻且固定流向的空氣流場(chǎng)和恒定的溫度、濕度的控制，以及防止渦流的產(chǎn)生等，傳統(tǒng)的控制理論和設(shè)計(jì)方法難以滿足其控制要求。負(fù)壓隔離病房控制系統(tǒng)利用現(xiàn)代智能控制技術(shù)，可以快速設(shè)計(jì)出高質(zhì)量，滿足負(fù)壓隔離病房安全規(guī)范的控制系統(tǒng)[1]。

模糊控制是用相對(duì)于模糊的語(yǔ)言變量來(lái)描述具體實(shí)際問(wèn)題，以及用模糊邏輯推理實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制，這種方法不需要對(duì)控制對(duì)象輸入、輸出等進(jìn)行精確的描述，具有超調(diào)小、魯棒性強(qiáng)和對(duì)系統(tǒng)非線性好的適應(yīng)性等優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，在理論和應(yīng)用方面都取得了巨大的成就，而PID控制作為一種傳統(tǒng)的控制方法，仍是目前工業(yè)過(guò)程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制手段。本文將一般的PID控制器和常規(guī)模糊控制器有效組合，形成模糊PID控制器，使系統(tǒng)的PID參數(shù)能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)變化的環(huán)境進(jìn)行模糊自適應(yīng)在線整定，可有效地改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)[2，3]。

1 基于模糊PID控制的負(fù)壓隔離病房大氣流場(chǎng)控制器的結(jié)構(gòu)

負(fù)壓隔離病房大氣流場(chǎng)有如下控制要求：整個(gè)控制系統(tǒng)在密閉負(fù)壓隔離病房?jī)?nèi)實(shí)現(xiàn)定向均勻且有合適穩(wěn)定的溫度與濕度的室內(nèi)大氣流場(chǎng)，并且能夠排除相關(guān)干擾量，驅(qū)動(dòng)控制風(fēng)機(jī)工作，始終保持氣壓差恒定，有效防止病毒的交叉感染。

負(fù)壓隔離病房控制策略作如下設(shè)計(jì)：控制負(fù)壓隔離病房?jī)?nèi)醫(yī)護(hù)區(qū)與病人區(qū)之間的氣壓差恒定，保證氣流從醫(yī)護(hù)區(qū)到病人區(qū)的大氣流場(chǎng)均勻且不產(chǎn)生渦流現(xiàn)象。

氣壓的穩(wěn)定采用風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)控制，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)傳感器的反饋信號(hào)來(lái)控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)差壓恒定。

擾動(dòng)量則主要來(lái)自室內(nèi)人員的流動(dòng)及溫度的變化，反饋量取醫(yī)護(hù)區(qū)與病人區(qū)之間的大氣壓差和室內(nèi)溫濕度。

基于模糊PID控制的負(fù)壓隔離病房大氣流場(chǎng)控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 負(fù)壓隔離病房大氣流場(chǎng)控制器的基本結(jié)構(gòu)

控制器中，功率驅(qū)動(dòng)模塊的控制信號(hào)是給定信號(hào)和微差壓傳感器的反饋信號(hào)的偏差經(jīng)過(guò)模糊PID控制器計(jì)算得到的理想控制參數(shù)。本系統(tǒng)與傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)不同之處在于控制器采用了模糊PID控制器。模糊PID控制器利用了ARM微處理器實(shí)現(xiàn)，它主要實(shí)現(xiàn)了把系統(tǒng)的偏差從數(shù)字量模糊化為模糊量、對(duì)模糊量由給定的規(guī)則進(jìn)行模糊推理、將推理輸出的模糊量輸出轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，提供給PWM信號(hào)芯片輸出控制功率器件驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)[4]。

2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

2.1 PID控制設(shè)計(jì)

PID 控制器包括比例（P）、積分（I）和微分（D）三個(gè)環(huán)節(jié)，通常會(huì)以下公式表示：

其中 u（n）為控制器輸出量，e（n）為誤差信號(hào)，Kp為比例系數(shù)，Ki為積分作用系數(shù)，Kd為微分作用系數(shù)。Kp、Ki、Kd需要在根據(jù)不同的工作環(huán)境不斷修正才能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制。PID控制器的設(shè)計(jì)主要是Kp、Ki、Kd三個(gè)參數(shù)的確定，需要在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)PID參數(shù)整定原則及專家的技術(shù)知識(shí)、實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)得出，因?yàn)楸豢貙?duì)象的延遲特性較大，基本不能實(shí)現(xiàn)理想的控制效果，需要在實(shí)際情況下對(duì)超調(diào)量、累計(jì)誤差、調(diào)節(jié)時(shí)間指標(biāo)施加一定的限制條件，才能滿足實(shí)際控制要求，取得理想的控制效果[3]。

2.2 模糊控制

模糊控制是以模糊集合論、模糊數(shù)學(xué)、模糊語(yǔ)言形式的知識(shí)表示以模糊邏輯推理為理論基礎(chǔ)，并采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)所組成的一種包含反饋通道的閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)控制原理。主要包括其中的模糊量化處理、模糊控制規(guī)則、模糊決策、非模糊化處理等部分共同組成的模糊控制器。

模糊控制器的構(gòu)成思路是通過(guò)將行業(yè)專家的一些知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)直接簡(jiǎn)化為“IF…THEN”語(yǔ)句，及適應(yīng)實(shí)際環(huán)境下的過(guò)程控制規(guī)則和控制決策，使被控對(duì)象實(shí)現(xiàn)理想的控制效果。模糊控制器是由模糊化單元、控制規(guī)則推理單元和反模糊化單元三個(gè)部分組成。

其中模糊化和反模糊化單元可以與被控對(duì)象直接連接，規(guī)則推理單元是指將行業(yè)專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)簡(jiǎn)化為“IF…THEN”語(yǔ)句后所存儲(chǔ)的單元。但模糊控制因?yàn)槿鄙俜e分環(huán)節(jié)，在實(shí)際過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的穩(wěn)態(tài)誤差；而且模糊規(guī)則在實(shí)際環(huán)境應(yīng)用中并不能無(wú)窮細(xì)分，只能根據(jù)一定的判斷規(guī)則來(lái)簡(jiǎn)單界定，所以當(dāng)實(shí)際的調(diào)節(jié)量大時(shí)，系統(tǒng)不容易保持穩(wěn)定，而當(dāng)調(diào)節(jié)量小時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差就會(huì)增大。

因此，結(jié)合模糊控制和PID控制各自特點(diǎn)，將模糊控制器和PID控制器進(jìn)行串聯(lián)，利用模糊推理實(shí)現(xiàn)PID控制器的參數(shù)在線自適應(yīng)整定，以適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)的變化和工作實(shí)際環(huán)境的變化來(lái)達(dá)到最優(yōu)的控制，可讓控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)響應(yīng)快、穩(wěn)定性好的控制效果。

2.3 自適應(yīng)模糊PID控制

自適應(yīng)模糊PID控制器是在傳統(tǒng)PID控制的基礎(chǔ)上，以誤差e和誤差變化率ec作為系統(tǒng)的輸入，利用模糊邏輯控制規(guī)則進(jìn)行模糊推理，并通過(guò)比對(duì)模糊控制規(guī)則表來(lái)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修正，這樣可以滿足不同時(shí)刻下偏差e和偏差變化率ec對(duì)于PID參數(shù)自調(diào)整的要求，如圖 2 所示[4，5]。

圖2 自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)中，模糊控制器的設(shè)定和組建是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它的特性、穩(wěn)定性和性能優(yōu)劣將會(huì)直接影響到Kp、Ki和Kd的設(shè)定，從而影響到整個(gè)控制系統(tǒng)的控制穩(wěn)定度。

PID參數(shù)自整定過(guò)程就是先判斷構(gòu)造出PID控制器的3個(gè)參數(shù)Kp、Ki和Kd與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系，同時(shí)在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中通過(guò)不斷對(duì)e和ec進(jìn)行檢測(cè)比對(duì)，最后根據(jù)模糊控制規(guī)則再來(lái)對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修正，以滿足不同狀態(tài)下的e和ec對(duì)控制器的各種要求，從而無(wú)論系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)狀況或靜態(tài)狀況下都能達(dá)到理想的控制效果，并使系統(tǒng)具有良好的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性。

基于對(duì)系統(tǒng)的上述分析，將偏差e和偏差變化率ec作為模糊控制器的輸入，PID控制器的3個(gè)參數(shù) Kp、Ki和 Kd作為輸出。

設(shè)定輸入變量 e和 ec的論域?yàn)椋篹，ec={-3，-2，-1，0，1，2，3}

其 模 糊 集 為 ：e，ec={NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，將分別表示為負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。

輸出變量Kp，Ki，Kd來(lái)確定控制量，并規(guī)定其論域?yàn)椋篕p，Ki，Kd={NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}

還可以用三角形隸屬函數(shù)曲線來(lái)描述各個(gè)語(yǔ)言值的定義。

基于前述PID參數(shù)整定原則以及工程設(shè)計(jì)人員（行業(yè)專家）的技術(shù)知識(shí)、實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)和負(fù)壓隔離病房的氣流組織研究成果，可列出相應(yīng)的參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)則，如表 1～3 所示[6]。

表1 Kp模糊規(guī)則表（ΔKp）

表2 Ki模糊規(guī)則表（ΔKi）

NB NM NS O PS PM PB NB NB NB NM NM NS O O NM NB NB NM NS NS O O NS NB NM NS NS O PS PS O NM NM NS O PS PM PM PS NM NS O PS PS PM PB PM O O PS NM PM PB PB PB O O PS PM PM PB PB EC E

表3 Kd模糊規(guī)則表（ΔKd）

根據(jù)模糊規(guī)則表在線修訂PID參數(shù)[8]，計(jì)算公式如下：

其中Kp0，Ki0，Kd0為系統(tǒng)初始設(shè)置的PID參數(shù)。將 ΔKp、ΔKi、ΔKd作為自適應(yīng)模糊 PID 模糊控制器的輸出參數(shù)，就可以通過(guò)被控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能自動(dòng)修正PID的3個(gè)參數(shù)Kp、Ki和Kd的數(shù)值，以適應(yīng)控制系統(tǒng)的參數(shù)變化和系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用要求。

通過(guò)模糊控制和PID控制的結(jié)合，不僅有效地提高了被控系統(tǒng)的控制精度和魯棒性，而且讓系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)下的穩(wěn)定性能得到了較大提升。

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

采用Matlab仿真，PID控制和模糊PID控制的響應(yīng)曲線如圖3所示。

圖3 PID與模糊PID的響應(yīng)曲線

仿真結(jié)果表明，通過(guò)采用Fuzzy PID復(fù)合控制的算法，系統(tǒng)的響應(yīng)速度變快、調(diào)節(jié)精度提高；系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能較好，而且沒(méi)有出現(xiàn)系統(tǒng)超調(diào)和系統(tǒng)振蕩的情況，顯示出了較強(qiáng)的魯棒性，這些對(duì)于控制系統(tǒng)的提升都是傳統(tǒng)的PID控制以及常規(guī)的模糊控制難以實(shí)現(xiàn)的。此外，在同樣精度要求下，系統(tǒng)的過(guò)渡時(shí)間變短，這在實(shí)際的過(guò)程控制中也有著重要的影響，可以極大地提高系統(tǒng)的響應(yīng)速率，極大地實(shí)現(xiàn)負(fù)壓隔離病房中的環(huán)境配置時(shí)間。實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行也表明，采用模糊PID控制算法，過(guò)渡調(diào)節(jié)時(shí)間減小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，有效地縮短了病人救治的總時(shí)長(zhǎng)；模糊PID控制器相比于常規(guī)PID控制器的超調(diào)量明顯減小，控制系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)特性能均得到改善，能夠讓系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)的控制效果，滿足實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用要求[7]。