黃妙云

福建醫(yī)科大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院 放療科，福建 福州 350001

新生兒培養(yǎng)箱溫度PID控制的實(shí)現(xiàn)

黃妙云

福建醫(yī)科大學(xué)附屬協(xié)和醫(yī)院 放療科，福建 福州 350001

目的 實(shí)現(xiàn)新生兒培養(yǎng)箱恒溫系統(tǒng)的自適應(yīng)PID控制。方法 利用簡(jiǎn)單的試驗(yàn)條件，建立PID控制近似數(shù)學(xué)模型；基于PID控制近似數(shù)學(xué)模型，再利用Matlab工具軟件，根據(jù)傳統(tǒng)的PID整定方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的PID控制。結(jié)果 實(shí)現(xiàn)了新生兒培養(yǎng)箱溫度的PID控制。結(jié)論 新生兒培養(yǎng)箱溫度PID控制的實(shí)現(xiàn)對(duì)保證儀器的高精度、高穩(wěn)定性以及高安全性有著重要意義。

新生兒培養(yǎng)箱；恒溫系統(tǒng)；PID控制；Matlab

0 前言

隨著技術(shù)的不斷更新，新生兒培養(yǎng)箱的溫度控制水平也在不斷提升，這對(duì)于培養(yǎng)箱使用的安全性有著重要意義。

自適應(yīng)PID（Proportion Integration Differentiation，比例積分微分）控制具有魯棒性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、控制效果明顯、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工程控制領(lǐng)域。本研究主要利用PID控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)培養(yǎng)箱溫控系統(tǒng)的控制，旨在為培養(yǎng)箱溫控系統(tǒng)的高精度、高穩(wěn)定性以及高安全性提供借鑒。

1 PID控制器參數(shù)整定的基本方法

PID控制器參數(shù)整定是自動(dòng)控制系統(tǒng)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，參數(shù)整定的好壞將直接影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性[1-2]。在目前的控制工程中，參數(shù)整定的方法有很多種，如經(jīng)驗(yàn)湊試法、臨界比例度法、衰減曲線法、Ziegler-Nichols法等，其中Ziegler-Nichols法的主要應(yīng)用對(duì)象為一階慣性的延遲模型。

在本研究設(shè)計(jì)中，由于系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境較為理想，一般無(wú)強(qiáng)干擾信號(hào)存在，需要控制的參數(shù)數(shù)量較少，且系統(tǒng)為一階慣性的延遲模型，因此可先通過Ziegler-Nichols法的階躍曲線獲得相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，再利用Matlab取得該模型的理想控制參數(shù)值，最后將此控制參數(shù)值應(yīng)用于試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校ㄟ^幾次湊試得到較為理想的試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷腜ID控制各參數(shù)值。

2 建立PID控制近似數(shù)學(xué)模型

新生兒培養(yǎng)箱需精確控制箱內(nèi)的溫度和濕度，其運(yùn)行環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，一般是處在病房等室內(nèi)較恒定的溫濕度環(huán)境中，因此外界對(duì)箱內(nèi)的溫濕度的影響有限[3]。根據(jù)控制理論基礎(chǔ)分析，該培養(yǎng)箱系統(tǒng)可以看成是一個(gè)純滯后帶有一階慣性的控制系統(tǒng)，并無(wú)精確的數(shù)學(xué)模型?，F(xiàn)有試驗(yàn)條件為：按等比例建立新生兒培養(yǎng)箱試驗(yàn)空間模型，通過VB程序編寫PID控制參數(shù)整定輔助操作軟件[4-5]。

依據(jù)現(xiàn)有的理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)條件，根據(jù)本系統(tǒng)特點(diǎn)，基于帶有一階慣性的延遲通用模型公式：將通過Ziegler-Nichols法建立起該系統(tǒng)近似的數(shù)學(xué)模型[6-7]。具體方法如下：

（1）在系統(tǒng)中將控制量設(shè)定為總量的75％。本系統(tǒng)控制周期設(shè)為12s，那么其控制占空比（0.75）即為9s，系統(tǒng)的狀態(tài)為開環(huán)形式。

（2）利用單片機(jī)開發(fā)模塊進(jìn)行控制系統(tǒng)的硬件開發(fā)[8-9]。設(shè)計(jì)中，將實(shí)現(xiàn)單片機(jī)每隔0.5s采樣一次溫度傳感器輸出的數(shù)值，使用DHT22溫濕度傳感器進(jìn)行溫度采集，并換算成溫度值，再通過串口傳送給上位機(jī)；上位機(jī)接收數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及顯示，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示出變化曲線圖。在系統(tǒng)處于相對(duì)穩(wěn)態(tài)時(shí)停止加熱，并結(jié)束試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。最后試驗(yàn)采集到的實(shí)時(shí)溫度曲線，見圖1。該曲線包含的信息有：在開環(huán)狀態(tài)系統(tǒng)初始加熱時(shí)間點(diǎn)、加熱后系統(tǒng)溫度延時(shí)時(shí)間點(diǎn)、系統(tǒng)溫度上升時(shí)間段以及近穩(wěn)態(tài)時(shí)間段等。

圖1 實(shí)時(shí)溫度曲線圖

（3）通過畫圖方法，將曲線中所需要的時(shí)間參數(shù)值計(jì)算出來(lái)。根據(jù)圖1，得到如下參數(shù)值：

根據(jù)這些數(shù)據(jù)，計(jì)算系統(tǒng)放大系數(shù)K：

由以上系數(shù)值，確定本系統(tǒng)的溫度的近似傳遞函數(shù)：

3 PID控制的參數(shù)整定

通過Ziegler-Nichols法建立起該系統(tǒng)近似的數(shù)學(xué)模型——帶有一階慣性的延遲數(shù)學(xué)模型，其近似傳遞函數(shù)如式（1），接著再利用Matlab軟件，進(jìn)行仿真PID控制參數(shù)整定[10]，具體方法如下：

（1）利用Matlab軟件中的Simuink功能模塊[11]，建立本系統(tǒng)PID控制模型，進(jìn)行仿真。PID仿真模型，見圖2。

（2）利用Matlab軟件中的仿真功能，計(jì)算出本系統(tǒng)近似模型的PID參數(shù)整定后的值。它們分別為：比例模塊，積分模塊，微分模塊。仿真系統(tǒng)控制效果，見圖3。

圖3 仿真模型溫度控制曲線圖

以Matlab仿真得到的PID控制整定參數(shù)值為基礎(chǔ)，將其植入單片機(jī)控制程序中，利用PID控制參數(shù)整定輔助操作軟件進(jìn)行PID控制參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)整定。利用經(jīng)驗(yàn)湊試法，根據(jù)不同運(yùn)行初始環(huán)境，對(duì)溫度PID控制的參數(shù)進(jìn)行整定，具體方法如下：

（1）對(duì)本系統(tǒng)的運(yùn)行初始環(huán)境溫度，進(jìn)行分段處理。本系統(tǒng)的控制溫度標(biāo)準(zhǔn)為25℃，將初始環(huán)境溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度差值進(jìn)行分段，通過試驗(yàn)，一般可分為：差12℃以上、差8～12℃、差5～8℃、差2～5℃、差2℃以內(nèi)等檔位。

（2）根據(jù)不同的差值檔位分別進(jìn)行試驗(yàn)，以Matlab仿真所得到的PID控制整定參數(shù)值為基礎(chǔ)，通過經(jīng)驗(yàn)湊試法進(jìn)行PID控制值的整定，其參數(shù)值分別為：

（3）最后，根據(jù)分段試驗(yàn)得到單片機(jī)控制量數(shù)值，通過Matlab軟件擬合出一條單片機(jī)控制量數(shù)值與實(shí)際控制量的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線方程。擬合曲線方程如下：

4 控制模塊軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制部分程序的設(shè)計(jì)與編寫是保證整個(gè)系統(tǒng)精度、實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)，其功能應(yīng)包含溫濕度數(shù)據(jù)的提取、計(jì)算、處理，最終能夠給出控制量并進(jìn)行控制等（圖4）。

圖4 控制軟件流程圖

5 溫濕度控制試驗(yàn)及分析

利用PID控制輔助操作軟件對(duì)PID整定后參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。將系統(tǒng)放置在類病區(qū)室內(nèi)，當(dāng)天室外氣溫在28℃左右，有空調(diào)。本試驗(yàn)分3個(gè)溫度初始值進(jìn)行驗(yàn)證：

首先將室內(nèi)溫度通過空調(diào)設(shè)定在18℃左右進(jìn)行試驗(yàn)。由系統(tǒng)測(cè)得初始溫度為17.7℃（初始溫差為5～8℃），系統(tǒng)控制溫度的設(shè)定值為25℃，之后加熱器開始進(jìn)行加熱，通過監(jiān)控軟件對(duì)PID溫度控制情況進(jìn)行觀察。觀察培養(yǎng)箱內(nèi)溫度控制情況（圖5）。由圖可知，系統(tǒng)加熱延時(shí)1.6s左右，之后系統(tǒng)溫度開始上升；溫度從初始值達(dá)到最大值25.3℃后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，溫度最終控制在25℃左右；從加熱至進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，系統(tǒng)共用的時(shí)間為18s，最大上超調(diào)溫度為Tmax=25.3℃，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后最小溫度為Tmin=24.7℃。根據(jù)以上數(shù)據(jù)顯示，控制系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的調(diào)控時(shí)間符合要求，上下超調(diào)溫度在允許偏差范圍（±0.5℃）內(nèi)，系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖5 初始溫度17.7℃ PID試驗(yàn)曲線圖

用同樣方法，對(duì)初始溫度為19.1℃時(shí)（初始溫差為5～8℃）、初始溫度為23.5℃時(shí)（初始溫差為0～2℃）的系統(tǒng)進(jìn)行PID溫度控制情況驗(yàn)證，結(jié)果表明系統(tǒng)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

基于上述3種情況，本研究又對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了多次類似試驗(yàn)，結(jié)果表明系統(tǒng)均能很好地滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度的控制要求，能夠使系統(tǒng)在較短時(shí)間內(nèi)將溫度控制在（25±0.5）℃，并能長(zhǎng)期進(jìn)入穩(wěn)態(tài)。

6 結(jié)論

新生兒培養(yǎng)箱恒溫系統(tǒng)PID控制的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于其高精確性、高穩(wěn)定性以及高安全性有著重要意義[12]。本研究利用簡(jiǎn)單的試驗(yàn)條件，建立PID控制近似數(shù)學(xué)模型，再利用Matlab工具軟件，根據(jù)傳統(tǒng)的PID整定方法實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的PID控制。本研究PID控制實(shí)現(xiàn)的方法對(duì)于新生兒培養(yǎng)箱的使用以及醫(yī)療領(lǐng)域恒溫控制系統(tǒng)的控制具有一定的借鑒意義。

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Realization of Proportional-Integral-Derivative Control of Temperature in the Neonatal Incubator

HUANGMiao-yun
Department of Radiotherapy, FujianMedical University Union Hospital, Fuzhou Fujian 350001, China

Objective To realize the PID （Proportional-Integral-Derivative） control of the neonatal incubator.Methods The PID-controlled approximate mathematical model was established with utilization ofsimple experimental conditions. And then theMatlabsoftware was applied to realize thesystematic PID control according to the traditional PID tuning method. Results PID control of the temperature in the neonatal incubator was realized. Conclusion PID control of the temperature in the neonatal incubator played asignificant role in ensuring the high precision,stability andsecurity of the instrument.

neonatal incubators；constant temperaturesystems；proportional-integral-derivative controlsystems；Matlab

R197.39

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.08.006

1674-1633（2015）08-0021-03

2015-03-22

2015-05-11

作者郵箱：yccsir1@163.com