一种实验室压力控制仿真系统与方法

摘要

本发明为一种实验室压力控制仿真系统与方法，该系统包括实验室压力模型模块、排风阀模块、PID控制器模块、压力传感器模块、送风阀模块和扰动设置模块；实验室压力模型模块对实验室压力进行负压控制，排风阀模块用于控制实验室的排风量，PID控制器模块用于调节排风阀模块的排风阀的阀门开度，压力传感器模块用于检测实验室压力，送风阀模块用于控制实验室的送风量，扰动设置模块用于设置扰动。本发明用于实际环境中实验室压力调试之前对实验室压力进行仿真，通过仿真得到真实控制系统的PID控制器参数，使得实验室压力始终保持期望值，减少实际试验的次数和失败风险，大幅减小实际工程中的调试时间。

说明书

技术领域

本发明属于空气压力控制仿真技术领域，具体涉及一种实验室压力控制仿真系统与方法。

背景技术

随着公共卫生事件频发，生物安全越来越受到国际组织、各国政府、社会公众和科技人员的关注，较高级别的生物安全实验室在公共卫生领域的作用日益凸显，建立生物安全实验室对于补齐公共卫生短板、加强卫生硬件建设有着至关重要的作用。

生物安全实验室不同于普通实验室，主要从事与生物因子相关的工作，具有较大的生物污染概率，因此防止传染性生物因子随空气向周围环境扩散是建立生物安全实验室的关键。通常防止实验室内病原微生物向外界扩散的主要方式为空气负压隔离，具体是指接受流入空气区域(相对污染区)的空气压力与输送空气区域(相对清洁区)的空气压力的相对差值保持恒定，通过负压控制实现空气的定向流动，从而可有效防止被病原微生物污染的空气向清洁区或室外环境扩散，这一过程又称之为“动态密闭防护”。实验室压力的恒定一般是通过送风量与排风量的相对稳定来维持，送风量与排风量的差值为在房间围护结构缝隙(主要是门窗)两侧压力作用下的渗透空气量，此处的压力是指空气通过这些缝隙所产生的阻力。

由于在实际环境中实验室压力调试的准备周期长，时间短，且单次调试的成本较高，调试失败的风险较大，因此为了确保在最短时间内完成实验室压力调试，本申请提出一种实验室压力控制仿真系统与方法，该系统用于实验室压力调试之前对实验室压力的仿真，便于实验室压力实际控制系统的调试。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种实验室压力控制仿真系统与方法。

本发明解决所述技术问题所采用的技术方案是：

一种实验室压力控制仿真系统，其特征在于，该系统包括实验室压力模型模块、排风阀模块、PID控制器模块、压力传感器模块、送风阀模块和扰动设置模块；实验室压力模型模块对实验室压力进行负压控制，排风阀模块用于控制实验室的排风量，PID控制器模块用于调节排风阀模块的排风阀的阀门开度，压力传感器模块用于检测实验室压力，送风阀模块用于控制实验室的送风量，扰动设置模块用于设置扰动。

所述排风阀模块包括排风阀、风量传感器和排风阀控制器；实验室压力期望值与测量值的差值作为PID控制器模块的输入，PID控制器模块的输出与风量传感器的测量值的差值作为排风阀控制器的输入，排风阀控制器的输出信号控制排风阀的阀门开度，进而调节实验室的排风量。

一种使用上述系统的实验室压力控制仿真方法，其特征在于，该方法包括以下内容：

一、设置实验室进风量和实验参数，实验参数包括实验室压力期望值、温度、体积、流量系数、流量指数以及换气次数；

二、基于Simulink软件建立系统各个模块的数学模型，具体为：

根据式(1)建立实验室压力模型；

式(1)中，ΔP

漏风量为：

Q

式(2)中，Q

排风阀采用变风量风阀，其数学模型为：

式(3)中，ΔP

风量传感器的数学模型为：

式(4)中，τ为时间常数，L为风量传感器的量程，s为拉普拉斯变换的复变量；

排风阀控制器的数学模型为：

式(5)中，Ts为在最大信号作用下，排风阀行程从0％-100％所需时间的一半；

PID控制器的传递函数为：

式(6)中，k

压力传感器的数学模型为：

P

式(7)中，P

送风阀采用定风量风阀，送风量＝换气次数*实验室体积；

扰动包括开关门、管路静压里的变化、室内局部送排风设备的启停、实验室工况转换以及送、排风设备故障；

三、设置扰动，通过PID调节排风阀的阀门开度，进而调节实验室的排风量，使实验室压力达到期望值，得到PID控制器的比例增益k

在PID调节过程，首先确定比例增益k

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明构建了一种与真实控制系统相同的仿真系统，用于实际环境中实验室压力调试之前对实验室压力进行仿真，通过仿真得到真实控制系统的PID控制器参数，使得实验室压力始终保持期望值，减少实际试验的次数和失败风险，大幅减小实际工程中的调试时间，节约了成本。

2.本发明可以通过改变扰动或者实验室参数对实验室压力进行全流程仿真，对排风量进行精确模拟，得到不同实验条件对应的PID控制器参数；通过排风阀采用变风量控制，送风阀采用定风量控制，对实验室进行负压控制。

附图说明

图1为本系统的结构框图；

图中：1、实验室压力模型模块；2、排风阀模块；3、PID控制器模块；4、压力传感器模块；5、送风阀模块；6、扰动设置模块；201、排风阀；202、风量传感器；203、排风阀控制器。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明，但并不以此限定本申请的保护范围。

本发明为一种实验室压力控制仿真系统(简称系统，参见图1)，包括实验室压力模型模块1、排风阀模块2、PID控制器模块3、压力传感器模块4、送风阀模块5和扰动设置模块6；排风阀模块2用于控制实验室的排风量，PID控制器模块3对排风阀模块2的排风阀控制器203进行PID调节，进而调节排风阀201的阀门开度，以调节实验室的排风量，通过调节排风量使实验室压力达到期望值；压力传感器模块4用于检测实验室压力，送风阀模块5用于控制实验室的送风量，扰动设置模块6用于设置扰动；实验室压力模型模块1根据实验室的排风量、进风量、扰动以及实验参数对实验室压力进行负压控制。

所述排风阀模块2包括排风阀201、风量传感器202和排风阀控制器203；风量传感器202用于测量排风阀201出口端风量，排风阀控制器203用于控制排风阀201的阀门开度；将实验室压力期望值与测量值的差值作为PID控制器模块3的输入，PID控制器模块3的输出与风量传感器202的测量值的差值作为排风阀控制器203的输入，排风阀控制器203的输出信号控制排风阀201的阀门开度，进而调节实验室的排风量。

本发明还提供一种实验室压力控制仿真方法(简称方法)，该方法包括以下内容：

一、设置实验室进风量和实验参数，实验参数包括实验室压力期望值、温度、体积、流量系数、流量指数以及换气次数；

二、基于Simulink软件建立系统各个模块的数学模型，具体为：

实验室压力模型模块1：根据式(1)的理想气体状态方程建立实验室压力模型；根据理想气体状态方程可以得出，实验室压力变化主要受室内空气量和空气温度的影响；

式(1)中，ΔP

当某一房间与相邻房间之间有门窗或任何形式的孔口存在时，在这些门窗、孔口处于关闭情况下，该房间与相邻房间会保持相对稳定的静压力，这个静压力就是以一定风量通过这些关闭的门窗、孔口的缝隙时的阻力，因此静压力反映的是缝隙的阻力特性，根据流体力学原理，得到缝隙气体流量与阻力的关系为：

Q

式(2)中，Q

排风阀模块2：排风阀采用变风量风阀，可看作为局部阻力可变的元件，根据流量与总压力损失的关系建立排风阀模型为：

式(3)中，ΔP

风量传感器将检测到的信号经过处理转换为模拟信号，再将模拟信号转换为数字信号传递给排风阀控制器；风量传感器的数学模型为：

式(4)中，τ为时间常数，L为风量传感器的量程，s为拉普拉斯变换的复变量；

排风阀控制器的动态特性模型及其参数取决于排风阀开关及延迟时间常数，其数学模型为：

式(5)中，Ts为在最大信号作用下，排风阀行程从0％-100％所需时间的一半；

PID控制器模块3：PID控制器的传递函数为：

式(6)中，k

压力传感器模块4：压力传感器的数学模型为：

P

式(7)中，P

送风阀模块5：送风阀采用定风量风阀，即实验室的送风量保持不变；送风量＝换气次数*实验室体积；

扰动设置模块6：由于实验室在运行期间会出现各种不同扰动，这些扰动直接影响实验室区域的压力和区域间的压力梯度，同时有些较大扰动可能会超出控制系统的调节能力；对实验室施加扰动，导致实验室压力变化，引起压力传感器的测量值变化；扰动主要包括开关门、管路静压里的变化、室内局部送排风设备的启停、实验室工况转换以及送排风设备故障；通过设置扰动也可以测试系统在控制过程中对扰动的调节能力；

三、设置扰动，通过PID调节排风阀的阀门开度，进而调节实验室的排风量，使实验室压力达到期望值，得到PID控制器的比例增益k

在每次实验室压力控制系统调试之前，通过本申请的仿真系统和方法对实验室压力进行仿真，得到PID控制器的比例增益k

对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。本发明未述及之处适用于现有技术。