1基于面风速传感器的排风柜变风量控制系统排风柜变风量控制也叫恒定面风速控制，其控制目标是确保排风柜开口面、平均面风速始终保持在设定值，为0.40~0.50 m/s[1]。基于面风速传感器的排风柜变风量控制[2]采用闭环反馈控制方式，系统由面风速传感器、变风量蝶阀（通常为压力相关型蝶阀）、变风量控制器和数显单元组成。基于面风速传感器的排风柜变风量控制系统原理如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.018.F001图1基于面风速传感器的排风柜变风量控制系统原理通过对被控量进行直接测量并将输出量通过反馈回路作用于输入量，控制系统直接测量的被控制量为面风速。排风柜面风速的测量常使用热线式风速传感器。该方式将1根通电加热的细金属丝（热线）置于气流中，热线在气流中的散热量与流速有关，热线散失热量导致其温度发生变化，从而引起电阻变化，通过将流速信号转变成电信号实现对风速的测量[3-4]。排风柜面风速是排风柜调节门开口处的平均风速，探测器显示的风速值仅代表该测量点的值，不能代表平均风速，其值可能与罩面风速不同，因而直接风速测量控制法有其局限性[5]。周圣杰[6]等利用卡尔曼滤波算法对测量到的罩面风速数据进行筛选，与传统方法相比，通过自适应PID控制方法测量的面风速误差减小10.11%，所需控制时间减少51.63%，面风速控制误差减小25.95%。使用适应PID控制方法可以在一定限度上提高罩面风速控制速度，降低罩面风速的控制误差，提升系统的控制响应速度，提高控制精度。虽然风速控制法的效果不如柜门行程及流量控制法的效果好[7]，但在工程中仍有部分的实践应用。因此，对其开展性能提升及其应用研究仍具有一定的意义。2实验室压差控制方式2.1直接压差控制直接压差控制属于典型的闭环控制方式，直接压差控制流程如图2所示。直接压差控制通过实时测量实验室与压力参照区域间的（静）压差并将其作为反馈信号，与预先设定的目标值进行对比。系统根据实测压差值与目标控制值间的偏差，通过执行器的调节与控制使实测压差值稳定在设定值。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.018.F002图2直接压差控制流程基于面风速传感器的排风柜变风量控制通常配置压力相关型变风量蝶阀，风阀不设风量测量装置，风阀开度仅受控制器调节，通过比较面风速实测值与设定值确定风阀开度。在一定开度下，末端风量随风管内静压波动而变化。由于缺少风量测量装置，无法进行实时风量测量与反馈，因此，无法直接采用基于风量追踪控制方式的余风量控制和自适应余风量控制，只能通过直接压差控制方法实现实验室的压差控制。采用直接压差控制方法时，实验室需满足一定的通风换气（换气次数）要求，由于排风系统中压力相关型变风量蝶阀无法进行精确的风量测量。因此，在选择变风量送风末端时，需满足实时风量测量与反馈功能以满足实验室换气次数控制要求。实验室最小排风量（理论计算）满足实验室最小换气次数要求时，实验室无须再设置全面排风，不带全面排风的直接压差控制原理如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.018.F003图3不带全面排风的直接压差控制原理注：DP——压差传感器；DPC——直接压差控制器；Pse和Psp——实验室压差测量值和设定值；F——风量传感器；VD——风量测量与反馈型变风量送风蝶阀；Qse和Qsp——送风风量测量值和设定值；SP——静压传感器；SPC——静压控制器；Sse和Ssp——静压测量值和设定值；M——风机马达。实验室最小排风量不能满足实验室最小换气次数要求时，实验室需设置全面排风，带全面排风的直接压差控制原理如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.018.F004图4带全面排风的直接压差控制原理直接压差控制流程为：实验室压差传感器持续测量并控制实验室与压力参照区域间的压差。一旦实验室压差变小，控制器将逐步关闭送风变风量阀门以减少送风量，直至达到最小通风换气风量（或满足实验室制冷所需的最小风量），逐步打开全面排风变风量阀门直至房间负压达到设定值。如果实验室负压增大，控制器将逐步关闭全面排风变风量阀门，同时逐步打开送风变风量阀门，直至房间负压恢复至设定值。通风换气控制流程为：通过持续测量并控制送风量不小于维持最低通风换气要求的风量值，此流程也适用于余风量和自适应余风量控制。2.2余风量控制采用余风量控制或自适应余风量控制时，均需通过对送、排风风量差值（余风量）进行控制，余风量控制和自适应余风量控制均需实时获取系统送、排风系统的风量值[8]。因此，为了实现余风量控制或自适应余风量控制，均需在实验室排风总管上合适的位置设置流量监测站（风量测量装置），实现对实验室排风量的实时测量与反馈，余风量控制流程如图5所示。余风量控制原理如图6所示。设计通风系统时，应充分考虑流量监测站的安装位置并选择合适的风量测量方式，确保其风量测量精度。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.018.F005图5余风量控制流程10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.018.F006图6余风量控制原理采用余风量法进行实验室压差控制时，余风量值为定值。实验室送风量跟随排风量值的变化而变化。余风量=∑排风量-∑送风量 (1)在实验室排风系统总管上增加流量监测站，不间断监测实验室总排风量，实现对送、排风风量的自动调节与控制，达到保持余风量值恒定的控制目标。实验室处于瞬时稳态时，实验室定、变风量局部排风设备及全面排风风量均保持不变，此时的实验室排风量保持不变。送、排风风量差值变小（余风量值变小）时，此刻实验室送风量过大，实验室负压有变小的趋势。此时，余风量控制器将逐步关闭送风变风量阀门以减少送风量，直至达到最小通风换气量，或满足实验室制冷所需的最小风量，逐步打开全面排风变风量阀门直至余风量值恢复至设定值。2.3自适应余风量控制自适应余风量控制方法基于给定的余风量值，通过风量测量和反馈机制实时监测实验室的送、排风总风量。通过精确的送、排风风量控制，系统使得余风量保持在预设的值，从而实现实验室保持微负压状态的目标。同时，压差传感器实时测量实验室与压力参照区域间的压差，控制器根据实际压差与目标值之间的差异，不断地调整和重置余风量值，以实现对压差的实时校正。自适应余风量控制流程如图7所示。自适应余风量控制原理如图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.018.F007图7自适应余风量控制流程10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.018.F008图8自适应余风量控制原理采用自适应余风量法进行实验室压差控制时，余风量值为变化值。实验室送风量跟随排风量值和余风量值的变化而变化。∑送风量=∑排风量-∆余风量 (2)在实验室排风系统总管上增加流量监测站，同时利用压差传感器不间断监测实验室与压力参照区域间的压差，实现对送、排风风量自适应调节与控制，达到保持余风量和压差稳定的控制目标。实验室处于瞬时稳态时，此时实验室排风量将保持不变。系统重置余风量值以满足实验室压差控制要求时，如果系统在重置时加大余风量值，说明此刻实验室送风量过大。此时，控制器将逐步关闭送风变风量阀门以减少送风量，直至达到最小通风换气量，或满足实验室制冷所需的最小风量，逐步打开全面排风变风量阀门，以调整实验室负压直至达到压差设定值。实验室与压力参照区域间的压差偏离设定值时，控制器将自适应重置余风量值，促使压差重回设定值。当实验室处于瞬时稳态时，若实验室负压变大，说明此时送风量不足，控制器将自适应地减小余风量值（直至减小至其最小设定值）以便增加送风量，使得压差重回设定值。如压差低于设定值，控制器将会增加余风量值（直至增大至其最大设定值）以便减少送风量，使得压差重回设定值[9]。3结语实验室采用基于面风速传感器的排风柜变风量控制系统时，应尽量减少气流扰动等外界因素干扰。同时，对风速测量与筛选算法和PID控制方法进行优化，从而提升基于面风速传感器的排风柜变风量系统控制精度和响应速度。在实验室压差控制时，基于面风速传感器的排风柜变风量控制系统采用压力相关型变风量蝶阀，风阀不设风量测量装置，无法实现实时风量测量与反馈功能，因此只能采用直接压差控制法对实验室压差进行控制。通过在实验室排风总管上合适位置设置流量监测站，实现余风量和自适应余风量控制功能。余风量控制法通过对送、排风风量的差值进行控制，系统控制逻辑简单且易于实现。自适应余风量控制法综合了余风量控制和直接压差控制的双重技术特点，兼具余风量控制的稳定性与压差反馈控制的精确性。余风量控制法和自适应余风量控制法由于调试简单且系统稳定性较好。