CN112083750B - 一种基于流量和压差实时反馈的隔离舱负压控制系统及控制方法 - Google Patents

一种基于流量和压差实时反馈的隔离舱负压控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于流量和压差实时反馈的隔离舱负压控制系统，包括压差检测模块、压差PID控制模块、流量检测模块、流量PD控制模块、负压控制模块；所述压差检测模块检测当前隔离舱内压差p，并将压差p发送给压差PID控制模块；压差PID控制模块将当前压差p与目标压差进行比较计算，然后输出压差控制信号PWM1；所述流量检测模块检测当前隔离舱进气口流量f，并将流量f发送给流量PD控制模块；流量PD控制模块根据当前流量f进行计算，然后输出流量控制信号PWM2；所述负压控制模块接收PWM1和PWM2，并经过处理输出负压控制信号PWM。根据流量实时反馈，算法中增加流量控制，避免了不必要的功率冗余，增加了续航时间，降低了风扇噪音。

Description

一种基于流量和压差实时反馈的隔离舱负压控制系统及控制 方法
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，具体为一种基于流量和压差实时反馈的隔离舱负压控制系统及控制方法。
背景技术
对于传染病患者需要隔离治疗，而在搬运病人过程中如果使用常规搬运方式非常容易发生病毒外泄，污染环境和感染医护人员。所以需要使用负压隔离舱对病人进行隔离搬运，同时隔离舱内产生负压保证病毒不会外泄。
负压隔离舱同时对舱内外压差和气流量有要求，而当今已有的负压舱仅针对压差进行控制，不能实时检测气流量。但是由于舱体结构不同(气密性以及进气口阻尼)，压差与流速对应关系可能有偏差，存在流量不足却无法感知，导致患者窒息的风险；即使通过加大冗余量保证足量气流，也会导致过多的能量浪费，同时带来较大的噪音。
如申请号为201520081440.4公开的一种TPU医用负压隔离舱，其公开了在舱体的一端设置有负压生成系统，负压生成系统包括风机、显示屏、压力传感器以及与压力传感器电连接的报警装置，风机的排风口处设置有1个以上排气过滤装置；舱体的另一端设置有1个以上进气口以及与进气口对应的进气过滤装置；排气过滤装置与进气过滤装置组成过滤系统；舱体两侧各设置有1个以上操作口。该隔离舱密封不透气，净化效果好，能有效控制传染病的扩散，防止病原体对环境的污染。该隔离舱仅仅对压差进行控制，并未对气流量进行检测和控制，极易发生上述存在流量不足导致患者窒息的风险。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种实时反馈的隔离舱负压控制方法。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：
一种基于流量和压差实时反馈的隔离舱负压控制系统，包括压差检测模块、压差PID控制模块、流量检测模块、流量PD控制模块、负压控制模块；
所述压差检测模块检测当前隔离舱内压差p，并将压差p发送给压差PID控制模块；压差PID控制模块将当前压差p与目标压差进行比较计算，然后输出压差控制信号PWM1；
所述流量检测模块检测当前隔离舱进气口流量f，并将流量f发送给流量PD控制模块；流量PD控制模块根据当前流量f进行计算，然后输出流量控制信号PWM2；
所述负压控制模块接收PWM1和PWM2，并经过处理输出负压控制信号PWM。
根据当前采集的压差p与目标压差进行比较计算，输出压差控制信号PWM1，同时，根据当前采样的流量f与预设的最小流量f_min进行比较计算，得出流量控制信号PWM2，最后输出排风机的驱动控制信号PWM，通过压差控制+流量控制综合考虑，满足压差的同时，保证隔离舱内气流量，避免因隔离舱自身结构导致的气流量不足的问题。根据流量实时反馈，算法中增加流量控制，避免了不必要的功率冗余，增加了续航时间，降低了风扇噪音。
进一步的，所述流量控制信号PWM2计算公式为：
PWM2＝k2_p×(f_min-f)+k2_d×(f-f_last)
其中，k2_p为PD控制参数的P项，f_last为上次采样的流量，f_min为预设最小值，(f-f_last)为两次采样的流量变化，(f_min-f)为当前流量距离f_min的偏差；如果PWM2<0，则认为PWM2＝0。
进一步的，所述负压控制模块输出的PWM＝PWM1+PWM2。
进一步的，还包括压差报警模块，所述压差检测模块将当前压差p发送给压差报警模块，压差报警模块将当前压差p与报警预设值进行比较，若低于报警预设值，则发出警报。
进一步的，还包括流量报警模块，所述流量检测模块将当前流量f发送给流量报警模块，流量报警模块根据当前流量f与f_min进行比较，若低于f_min，则发出警报。
基于上述控制系统，本发明还提供一种控制方法，包括以下步骤：压差检测模块检测当前隔离舱内压差p，并将压差p发送给压差PID控制模块；压差PID控制模块将当前压差p与目标压差进行比较计算，然后输出压差控制信号PWM1；
流量检测模块检测当前隔离舱进气口流量f，并将流量f发送给流量PD控制模块；流量PD控制模块根据当前流量f进行计算，然后输出流量控制信号PWM2；
负压控制模块接收PWM1和PWM2，并经过处理输出负压控制信号PWM。
进一步的，所述流量控制信号PWM2计算公式为：
PWM2＝k2_p×(f_min-f)+k2_d×(f-f_last)
其中，k2_p为PD控制参数的P项，f_last为上次采样的流量，f_min为报警阈值，(f-f_last)为两次采样的流量变化，(f_min-f)为当前流量距离报警阈值的偏差；如果PWM2<0，则认为PWM2＝0。
进一步的，所述负压控制模块输出的PWM＝PWM1+PWM2。
进一步的，还包括压差报警步骤：所述压差检测模块将当前压差p发送给压差报警模块，压差报警模块将当前压差p与报警预设值进行比较，若低于报警预设值，则发出警报。
进一步的，还包括流量报警步骤：所述流量检测模块将当前流量f发送给流量报警模块，流量报警模块根据当前流量f与f_min进行比较，若低于f_min，则发出警报。
本发明的优点在于：
根据当前采集的压差p与目标压差进行比较计算，输出压差控制信号PWM1，同时，根据当前采样的流量f与预设的最小流量f_min进行比较计算，得出流量控制信号PWM2，最后输出排风机的驱动控制信号PWM，通过压差控制+流量控制综合考虑，满足压差的同时，保证隔离舱内气流量，避免因隔离舱自身结构导致的气流量不足的问题。根据流量实时反馈，算法中增加流量控制，避免了不必要的功率冗余，增加了续航时间，降低了风扇噪音。
实时监测流量，流量过低时会主动报警，保证患者安全。
附图说明
图1为本发明实施例中方法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供一种基于流量和压差实时反馈的隔离舱负压控制系统，隔离舱包括进气口和排气口，在进气口处安装有过滤设备，排气口通过排风机排气，排风机通过电机驱动，排风机排气是的隔离舱内部形成负压，从而使外部气体经进气口进入隔离舱内。
控制系统包括压差检测模块、压差PID控制模块、流量检测模块、流量PD控制模块、负压控制模块；压差检测模块与压差PID控制模块通信连接，流量检测模块与流量PD控制模块通信连接，压差PID控制模块和流量PD控制模块分别与负压控制模块通信连接，负压控制模块输出风机的电机控制信号。
本实施例中，压差检测模块包括固定在隔离舱内部和外部的两个压力传感器，分别采集隔离舱内部和外部的压力信号，两路压力信号分别发送给压差PID控制模块，压差PID控制模块通过计算得到隔离舱的压差p，并将当前压差p与目标压差进行判断计算，然后向负压控制模块发送控制信号PWM1。
本实施例中，流量检测模块包括固定在隔离舱进气口的流量传感器，用以检测隔离舱的进气流量f，并将流量f发送给流量PD控制模块；流量PD控制模块根据当前流量f进行计算，然后输出流量控制信号PWM2；流量控制信号PWM2计算公式为：
PWM2＝k2_p×(f_min-f)+k2_d×(f-f_last)
其中，k2_p为PD控制参数的P项，f_last为上次采样的流量，f_min为预设最小值，(f-f_last)两次采样的流量变化，(f_min-f)为当前流量距离预设最小值的偏差；
正常情况下，要求进气流量p>f_min，当出现当前气流f小于f_min时，k2_p×(f_min-f)会产生一个正向反馈增大电机功率。当然这一项也可能出现当前气流f大于f_min，此时产生的反馈是减小电机功率，但这是不合理的，所以本实施例还通过一个判断过程：即流量PD控制模块输出的PWM2进行判断，当PWM2<0时，PWM2＝0，然后将PWM2发送给负压控制模块，这就保证了气流对于电机的反馈作用一定是正向的。
负压控制模块接收到PWM1、PWM2后，根据PWM＝PWM1+PWM2原理输出PWM。最后根据PWM对排气电机进行控制。
工作原理：根据当前采集的压差p与目标压差进行比较计算，输出压差控制信号PWM1，同时，根据当前材料的流量f与预设的最小流量f_min进行比较计算，得出流量控制信号PWM2，最后输出排风机的驱动控制信号PWM，通过压差控制+流量控制综合考虑，满足压差的同时，保证隔离舱内气流量，避免因隔离舱自身结构导致的气流量不足的问题。
本实施例还提供报警功能，具体为：控制系统包括压差报警模块、流量报警模块。压差检测模块与压差报警模块通信连接，流量检测模块与流量报警模块通信连接。压差检测模块将当前压差p发送给压差报警模块，压差报警模块将当前压差p与报警预设值进行比较，若低于报警预设值，则发出警报。流量检测模块将当前流量f发送给流量报警模块，流量报警模块根据当前流量f与预设最小值f_min进行比较，若低于f_min，则发出警报。
本实施例中，压差PID控制模块和流量PD控制模块分别PID控制器、PD控制器即可，负压控制模块可采用常规的驱动电路后单片机即可，如MOS管或晶体管驱动电路和带有PWM输出功能的单片机。驱动电路或单片机接收PWM1、PWM2，并计算出PWM＝PWM1+PWM2，然后根据PWM驱动电机运转。压差报警模块和流量报警模块采用常规的报警器即可，如有源或无源蜂鸣报警器。
如图1所示，基于上述控制系统，本实施例还提供控制方法，包括以下步骤：
压差检测模块检测当前隔离舱内压差p，并将压差p发送给压差PID控制模块；压差PID控制模块将当前压差p与目标压差进行比较计算，然后输出压差控制信号PWM1；
流量检测模块检测当前隔离舱进气口流量f，并将流量f发送给流量PD控制模块；流量PD控制模块根据当前流量f进行计算，然后输出流量控制信号PWM2；
负压控制模块接收PWM1和PWM2，并经过处理输出负压控制信号PWM。
流量控制信号PWM2计算公式为：
PWM2＝k2_p×(f_min-f)+k2_d×(f-f_last)
其中，k2_p为PD控制参数的P项，f_last为上次采样的流量，f_min为报警阈值，(f-f_last)两次采样的流量变化，(f_min-f)为当前流量距离报警阈值的偏差；如果PWM2<0，则认为PWM2＝0。
负压控制模块输出的PWM＝PWM1+PWM2。
还包括压差报警步骤：压差检测模块将当前压差p发送给压差报警模块，压差报警模块将当前压差p与报警预设值进行比较，若低于报警预设值，则发出警报。
还包括流量报警步骤：流量检测模块将当前流量f发送给流量报警模块，流量报警模块根据当前流量f与f_min进行比较，若低于报警预设值，则发出警报。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于流量和压差实时反馈的隔离舱负压控制系统，其特征在于：包括压差检测模块、压差PID控制模块、流量检测模块、流量PD控制模块、负压控制模块；
所述压差检测模块检测当前隔离舱内压差p，并将压差p发送给压差PID控制模块；压差PID控制模块将当前压差p与目标压差进行比较计算，然后输出压差控制信号PWM1；
所述流量检测模块检测当前隔离舱进气口流量f，并将流量f发送给流量PD控制模块；流量PD控制模块根据当前流量f进行计算，然后输出流量控制信号PWM2；
所述负压控制模块接收PWM1和PWM2，并经过处理输出负压控制信号PWM；
所述流量控制信号PWM2计算公式为：
PWM2=k2_p×(f_min-f)+k2_d×(f-f_last)
其中，k2_p为PD控制参数的P项，f_last为上次采样的流量，f_min为预设最小值，(f-f_last) 两次采样的流量变化，(f_min-f)为当前流量距离f_min的偏差；如果PWM2<0，则认为PWM2=0；
所述负压控制模块输出的PWM=PWM1+PWM2；
隔离舱包括进气口和排气口，在进气口处安装有过滤设备，排气口通过排风机排气，所述PWM用以控制排风机排风功率。
2.根据权利要求1所述的基于流量和压差实时反馈的隔离舱负压控制系统，其特征在于：还包括压差报警模块，所述压差检测模块将当前压差p发送给压差报警模块，压差报警模块将当前压差p与报警预设值进行比较，若低于报警预设值，则发出警报。
3.根据权利要求2所述的基于流量和压差实时反馈的隔离舱负压控制系统，其特征在于：还包括流量报警模块，所述流量检测模块将当前流量f发送给流量报警模块，流量报警模块根据当前流量f与f_min进行比较，若低于f_min，则发出警报。
4.基于权利要求1至3任一所述的负压控制系统的负压控制方法，其特征在于：包括以下步骤：压差检测模块检测当前隔离舱内压差p，并将压差p发送给压差PID控制模块；压差PID控制模块将当前压差p与目标压差进行比较计算，然后输出压差控制信号PWM1；
流量检测模块检测当前隔离舱进气口流量f，并将流量f发送给流量PD控制模块；流量PD控制模块根据当前流量f进行计算，然后输出流量控制信号PWM2；
负压控制模块接收PWM1和PWM2，并经过处理输出负压控制信号PWM；
所述流量控制信号PWM2计算公式为：
PWM2=k2_p×(f_min-f)+k2_d×(f-f_last)
其中，k2_p为PD控制参数的P项，f_last为上次采样的流量，f min为报警阈值，(f-f_last) 两次采样的流量变化，(f_min-f)为当前流量距离报警阈值的偏差；如果PWM2<0，则认为PWM2=0。
5.根据权利要求4所述的负压控制方法，其特征在于：所述负压控制模块输出的PWM=PWM1+PWM2。
6.根据权利要求5所述的负压控制方法，其特征在于：还包括压差报警步骤：所述压差检测模块将当前压差p发送给压差报警模块，压差报警模块将当前压差p与报警预设值进行比较，若低于报警预设值，则发出警报。
7.根据权利要求6所述的负压控制方法，其特征在于：还包括流量报警步骤：所述流量检测模块将当前流量f发送给流量报警模块，流量报警模块根据当前流量f与f_min进行比较，若低于报警预设值，则发出警报。
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