韓仁銀,郭陽(yáng)寬,祝連慶,賀 慶

(北京信息科技大學(xué),北京100101)

0 引 言

酶免分析儀用于抗原、抗體等檢測(cè),是乙肝等肝炎系列疾病、艾滋病及梅毒等傳染病檢測(cè)的關(guān)鍵儀器。該儀器通過(guò)加樣針系統(tǒng)(一般4個(gè)加樣針)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)移液,即吸取微量試劑或待測(cè)體液,并加入微孔板(一般為96孔),利用其他機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)等。為提高儀器工作效率,保證移液動(dòng)作穩(wěn)定和檢測(cè)結(jié)果精確一致性,要求儀器的各加樣針運(yùn)動(dòng)同步,從結(jié)構(gòu)上看就是要求對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)同步(參圖2所示)。資料檢索表明,同步控制廣泛用于自動(dòng)化生產(chǎn)線、裝配線、紡織、造紙、卷繞、機(jī)器人及高鐵等多種場(chǎng)合[1-5],在全自動(dòng)酶免分析儀還沒(méi)有進(jìn)行專(zhuān)門(mén)研究。

同步控制方式主要有:同等控制、主從控制、交叉耦合控制、偏差耦合控制和虛擬主軸控制[1-6]。同等控制方式中各電機(jī)相互獨(dú)立,無(wú)法保證各電機(jī)間跟蹤精度[7];主從控制方式中,一個(gè)電機(jī)作為主電機(jī),其余電機(jī)為從電機(jī),算法相對(duì)簡(jiǎn)單,可實(shí)現(xiàn)較高精度控制[8];交叉耦合控制和偏差耦合控制主要用于存在運(yùn)動(dòng)耦合的場(chǎng)合,將電機(jī)的轉(zhuǎn)速或位置差作跟蹤信號(hào),控制算法較為復(fù)雜[9-10];虛擬主軸控制方式是模擬機(jī)械主軸的物理特性實(shí)現(xiàn)多電機(jī)同步,具有較強(qiáng)的抗干擾性能,但是會(huì)出現(xiàn)短暫不同步現(xiàn)象[4]。

在同步控制中,除控制方式外,另一個(gè)研究重點(diǎn)是控制算法[11-12]。傳統(tǒng)PID算法成熟簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)被廣泛采用;BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法具有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力和非線性映射能力[11],但存在收斂速度慢等問(wèn)題;模糊控制具有無(wú)需建立被控對(duì)象準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型、魯棒性能好等優(yōu)點(diǎn)[12]。將模糊控制與PID控制相結(jié)合,即保留了傳統(tǒng)模糊控制的優(yōu)點(diǎn),又能夠有效提高系統(tǒng)控制品質(zhì)[13]。

針對(duì)全自動(dòng)酶免分析儀加樣針系統(tǒng)的特點(diǎn),本文采用了主從控制方式與模糊PID算法相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)儀器加樣針同步控制。

1 同步控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常用的控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成方式主要有兩類(lèi):第一類(lèi),PC(或IPC)配各種板卡方式。由于Windows是多任務(wù)操作系統(tǒng),為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制,一般需要配一些板卡,這樣的系統(tǒng)功能強(qiáng)大,成本也較高;第二類(lèi)PC(或IPC)利用EtherCAT等協(xié)議通過(guò)網(wǎng)線串聯(lián)專(zhuān)用控制驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)建檢測(cè)控制系統(tǒng),這樣的系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn),功能強(qiáng)大,成本較高。生物醫(yī)學(xué)儀器考慮成本等因素通常采用嵌入式系統(tǒng)。

全自動(dòng)酶免分析儀加樣針主從控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。上位機(jī)通過(guò)USB與主 MCU通信,主MCU和3個(gè)從MCU通過(guò)CAN通信。主從加樣針系統(tǒng)均由包含電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電控部分、電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、Tip頭(吸分液針頭)和編碼器等功能部件組成。加樣針機(jī)械結(jié)構(gòu)模型圖如圖2所示。

圖1 加樣針同步控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

圖2 加樣針機(jī)械構(gòu)圖

主從同步控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 主從同步控制結(jié)構(gòu)圖

設(shè)1號(hào)加樣針為主動(dòng),2,3,4號(hào)加樣針為從動(dòng)。上位機(jī)給定位置信息,經(jīng)位置環(huán)和速度環(huán)調(diào)節(jié),編碼器反饋主加樣針位置并發(fā)送至各從機(jī)作為輸入信號(hào),從機(jī)通過(guò)同步算法實(shí)現(xiàn)位置對(duì)主機(jī)的跟蹤同步。

位置環(huán)偏差是加樣針同步系統(tǒng)同步性能的直接體現(xiàn),速度增益反映了位置環(huán)同步特性,故采用位置環(huán)和速度環(huán)控制,速度環(huán)使用P控制?？梢?jiàn)系統(tǒng)的同步特性主要由4個(gè)加樣針系統(tǒng)的位置控制器的控制算法決定。為此,要進(jìn)行同步算法設(shè)計(jì)。

2 同步算法設(shè)計(jì)

考慮本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,難以建立精確數(shù)學(xué)模型,使用一般算法難以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求,而模糊PID不需要精確數(shù)學(xué)模型也能獲得較好的魯棒性,有助于提高控制系統(tǒng)的同步性能。因4個(gè)加樣針系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全相同,所以在位置控制器中均采用模糊PID算法作為同步控制算法。

設(shè) μ1(k),μ2(k),μ3(k),μ4(k)為 k 時(shí)刻電機(jī)實(shí)際反饋信號(hào),則各電機(jī)同步偏差:

為方便論述,ei(k)簡(jiǎn)寫(xiě)為e(k),模糊PID控制位置控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 位置控制器結(jié)構(gòu)框圖

在圖4中,模糊控制器輸入為偏差e(k),偏差變化 ec(k),輸出控制量為 ΔKP,ΔKI,ΔKD。

設(shè)e(k),ec(k)模糊集論域:{-3,-2,-1,0,1,2,3},隸屬度函數(shù)如圖5所示。

圖5 e(k)和ec(k)的隸屬度函數(shù)

設(shè)輸出量ΔKP,ΔKI,ΔKD的模糊集論域分別:

{-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3}

{-0.06,-0.04,-0.02,0,0.02,0.04,0.6}

{-3,-2,-1,0,1,2,3}

偏差e(k),偏差變化ec(k)和ΔKP,ΔKI,ΔKD采用相同的模糊子集,建立ΔKP,ΔKI,ΔKD的控制規(guī)則,以ΔKP為例,如表1所示。

采用加權(quán)平均法,得模糊控制輸出:

表1 ΔKP模糊控制規(guī)則

實(shí)際應(yīng)用的PID參數(shù)是在初始值基礎(chǔ)上通過(guò)自調(diào)整得出:

系統(tǒng)實(shí)際輸出:

設(shè)采樣周期為T(mén),用一階向后差分代替偏差變化率,則:

3 系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)

如圖1所示,系統(tǒng)主要由通信、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電流檢測(cè)及位置檢測(cè)等功能模塊組成。

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖6為同步系統(tǒng)部分電路原理圖(單個(gè)加樣針)。其中CAN網(wǎng)絡(luò)使用SN65HVD230芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā),利用CAN總線多主多從的特性,保證主從控制器實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)通信;電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用全橋驅(qū)動(dòng)芯片L6201,工作時(shí)使能(Z_EN)處于高電平,芯片對(duì)輸入控制信號(hào)(Z_INIT1和Z_INIT2)放大,輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)(DMPZ+,DMPZ-)進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制,該芯片包含電流反饋功能,1腳輸出信號(hào)Z-SEN為電機(jī)工作電流信號(hào);檢測(cè)所得電流信號(hào)使用精密電流放大傳感器MAX471實(shí)現(xiàn)I/U轉(zhuǎn)換,得電壓信號(hào)ZSen-V,該信號(hào)輸入微控制器自帶12位ADC實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換;位置檢測(cè)采用光電編碼器實(shí)現(xiàn),圖中未畫(huà)出光電編碼器接線端子,該信號(hào)可直接接微控制器進(jìn)行速度和位置檢測(cè)。

圖6 同步系統(tǒng)部分原理圖(單個(gè)加樣針)

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由3部分構(gòu)成,即上位機(jī)軟件、主控機(jī)軟件和從控機(jī)軟件。上位機(jī)程序提供用戶操作界面和向主控機(jī)發(fā)控制指令等功能。軟件主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)自檢、位置檢測(cè)、偏差計(jì)算、同步控制算法、速度控制等功能,系統(tǒng)執(zhí)行過(guò)程如圖7所示。

圖7 執(zhí)行過(guò)程流程圖(部分)

4 測(cè)試結(jié)果分析

全自動(dòng)酶免加樣同步系統(tǒng)實(shí)物照片如圖8所示,其中左圖為一個(gè)加樣針控制系統(tǒng)照片(4個(gè)加樣針控制系統(tǒng)均一樣),右圖為將加樣針控制系統(tǒng)裝到全自動(dòng)酶免儀后的4個(gè)加樣針系統(tǒng)布置方式。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)初始化和自檢后,表明系統(tǒng)能正常工作,并能實(shí)現(xiàn)4個(gè)加樣針初始位置一致(即初始化后坐標(biāo)零點(diǎn))。由上位機(jī)發(fā)送位置指令給主控后,測(cè)得從動(dòng)加樣針同步誤差如圖9所示。

圖8 加樣針同步系統(tǒng)(含4套加樣針系統(tǒng))實(shí)物照片

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)前,主從加樣針最大偏差為1.3 mm,經(jīng)過(guò)75 ms后,主從加樣針偏差在±0.07 mm以?xún)?nèi)。

圖9 加樣針同步誤差

5 結(jié) 語(yǔ)

在綜述同步控制的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了全自動(dòng)酶免分析儀加樣針同步控制系統(tǒng),含同步控制方式設(shè)計(jì)、同步算法設(shè)計(jì)及系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明,所設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,同步誤差較小。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)也表明,本文的同步誤差滿足全自動(dòng)酶免分析儀的加樣要求。