当前我国高校建设进入了一个崭新的阶段，完善实验室建设和提高实验室管理水平是高校改革和发展的热点问题。本文根据实验室管理的实际情况，开发了一套智能分布式实验室监控系统，实现对各间实验室温度的实时监测和控制，提高了学校实验室的现代化水平。

1 系统概况

智能分布式实验室监控系统是以计算机、通信网络及可编程控制器为基础的监测与控制系统，通过对各类信号的实时检测，实现对各间实验室的无人化管理、环境参数的自动调节。整个系统结构如图 1所示。

2 上位机系统

MCGS(Monitor and Control Generated System，通用监控系统)是一套用于快速构造和生成计算机监控系统的组态软件，它能够在基于Microsoft的各种32位Windows平台上运行，在自动化领域有着广泛的应用^[1]。采用MCGS组态软件开发的上位机系统具有如下功能：^[2-4]

1) 总体监测：显示实验室环境数据的实时值，MCGS通过设备构件和PLC主站通信，访问相关寄存器来获得房间环境数据和各外部设备的运行情况，并通过动画连接、实时曲线等显示出来。

2) 控制功能：在上位机可对PLC从站进行操作，实现远程控制。

3) 报警功能：当接收到来自下位机的报警信息时，MCGS应用程序能够发出声、光报警信号，指示报警发生部位，记录报警时间，并予以保持，直到复位。

4) 安全机制：提供了一套完善的安全机制，严格限制各类操作的权限，使不具备操作资格的人员无法进行操作，从而避免了现场操作的任意性和无序状态，防止因误操作干扰系统的正常运行，甚至导致系统瘫痪，造成不必要的损失。

3 从站室温控制系统 3.1 系统模型的建立

室内温度控制系统可以近似为带纯迟延的一阶惯性环节，其传递函数如下：

$G\left( s \right) = \frac{{K{e^{ - \tau }}}}{{{T_0} + 1}}$

(1)

式中：K为控制对象的增益系数，T₀为控制对象惯性时间常数，τ为控制对象滞后时间常数。

实验室房间基本情况如下：N是单位时间(h)内房间的换气次数，这里取N=15；a、b、h分别为房间的长、宽、高；这里取a×b×h=15 m×9 m×4 m。根据房间特性参数的估算公式^[5-6]计算可得：

$\tau = \frac{9}{N} = 36\left( {\rm{s}} \right)$

(2)

${T_0} = \frac{{90}}{N} = 360\left( {\rm{s}} \right)$

(3)

$K = \frac{1}{{1 + \frac{{52}}{{N\left( {\frac{1}{a} + \frac{1}{b} + \frac{1}{h}} \right)}}}} \approx 0.4$

(4)

因此控制对象的传递函数为：

$G\left( s \right) = \frac{{K{e^{ - \tau }}}}{{{T_0} + 1}} = \frac{{0.4{e^{ - 36}}}}{{360 + 1}}$

(5)

3.2 模糊自适应PID控制

PID控制就是比例(Proportional)、积分(Integral)和微分(Differential)控制。在计算机控制系统中，PID调节算法一般用软件来实现。常见的方法是用增量公式计算控制量：

$\mathit{\Delta u}\left( k \right) = {k_p}\left( {e\left( k \right) - e\left( {k - 1} \right)} \right) + {k_i}e\left( k \right) + {k_d}\left( {e\left( k \right) - 2e\left( {k - 1} \right) + e\left( {k - 2} \right)} \right)$

(6)

式中：k为采样序号，e为偏差，u为控制量，T为采样周期, k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数^[7-8]。

本系统采用模糊控制推理整定PID控制参数，即在常规PID控制的基础上，以被控对象的反馈值与目标值的误差e和误差变化率ec作为输入，找出它们和k_p、k_i、k_d之间的模糊关系，制定模糊控制规则表^[9-10]。其中，k_p、k_i、k_d的自整定原则归纳如下：

1) 当|e|较大时，应取较大的k_p和较小的k_d，且使k_i=0，以使系统响应加快，同时避免较大的超调。

2) 当|e|和|ec|中等时，取较小的k_p、k_d和适当的k_i，使系统响应具有较小的超调。

3) 当|e|较小时，应取较大的k_p、k_i和适当的k_d，以使系统能有较好的稳定性能，并避免在平衡点附近出现振荡。

系统运行时，PLC从站不断地监测e和ec，根据模糊控制规则表对k_p、k_i、k_d进行在线修改，以满足不同e和ec对控制器参数的不同要求。

3.3 数据仿真

在Matlab平台下对所设计的控制系统进行Simulink仿真，假设房间控制温度为27 ℃，仿真时间为3 000 s。常规PID控制和模糊自适应PID控制结果对比如图 2所示。

在系统传递函数有36 s延迟的情况下，采用模糊自适应PID控制后，与常规PID控制相比：调节时间t_s降为1 000 s，响应速度大大加快；消除了超调和振荡，动态稳定性变好，控制效果明显。

4 结论

智能实验室监控系统实现了实验室的自动控制并提高了实验室的管理水平，其特点主要体现在以下几个方面：

1) 群控化管理：通过RS-485通信网络可实现对多间实验室的集中监督和分散控制。

2) 可靠性高：该系统实现管理与直接控制分开，各从站相对独立，分别完成不同的控制功能，即使系统某从站工作异常，也不影响其他从站的正常工作。

3) 易扩展性：随着实验室的发展，控制环节的增多，该系统可方便地进行扩展。

4) 经济性好：采用基于模糊自适应PID的房间温度控制系统，性能稳定、节能效果明显、经济效益显著，符合目前我国高校实验室发展要求，有一定的应用价值。