新生兒培養(yǎng)箱溫度PID控制的實現(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

新生兒培養(yǎng)箱溫度PID控制的實現(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 利用簡單的試驗條件，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整定方法實現(xiàn)系統(tǒng)的PID控制。結(jié)果 實現(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控制的實現(xiàn)對保證儀器的高精度、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、穩(wěn)定性好、控制效果明顯、結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便等優(yōu)點，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)實現(xiàn)對培養(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)整定是自動控制系統(tǒng)中非常重要的一個環(huán)節(jié)，參數(shù)整定的好壞將直接影響系統(tǒng)運行的穩(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)用對象為一階慣性的延遲模型。

在本研究設(shè)計中，由于系統(tǒng)運行環(huán)境較為理想，一般無強干擾信號存在，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?zāi)Ｐ椭校ㄟ^幾次湊試得到較為理想的試驗?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，其運行環(huán)境相對穩(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)可以看成是一個純滯后帶有一階慣性的控制系統(tǒng)，并無精確的數(shù)學(xué)模型?，F(xiàn)有試驗條件為：按等比例建立新生兒培養(yǎng)箱試驗空間模型，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)和試驗條件，根據(jù)本系統(tǒng)特點，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）利用單片機開發(fā)模塊進(jìn)行控制系統(tǒng)的硬件開發(fā)[8-9]。設(shè)計中，將實現(xiàn)單片機每隔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；上位機接收數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及顯示，同時實時顯示出變化曲線圖。在系統(tǒng)處于相對穩(wěn)態(tài)時停止加熱，并結(jié)束試驗數(shù)據(jù)采集。最后試驗采集到的實時溫度曲線，見圖1。該曲線包含的信息有：在開環(huán)狀態(tài)系統(tǒng)初始加熱時間點、加熱后系統(tǒng)溫度延時時間點、系統(tǒng)溫度上升時間段以及近穩(wěn)態(tài)時間段等。

圖1 實時溫度曲線圖

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

根據(jù)這些數(shù)據(jù)，計算系統(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)場整定。利用經(jīng)驗湊試法，根據(jù)不同運行初始環(huán)境，對溫度PID控制的參數(shù)進(jìn)行整定，具體方法如下：

（1）對本系統(tǒng)的運行初始環(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，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，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)分段試驗得到單片機控制量數(shù)值，通過Matlab軟件擬合出一條單片機控制量數(shù)值與實際控制量的對應(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

單片機控制部分程序的設(shè)計與編寫是保證整個系統(tǒng)精度、實現(xiàn)實時監(jiān)測的基礎(chǔ)，其功能應(yīng)包含溫濕度數(shù)據(jù)的提取、計算、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 溫濕度控制試驗及分析

利用PID控制輔助操作軟件對PID整定后參數(shù)進(jìn)行驗證。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)。本試驗分3個溫度初始值進(jìn)行驗證：

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。由系統(tǒng)測得初始溫度為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)計要求。

圖5 初始溫度17.7℃ PID試驗曲線圖

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

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

6 結(jié)論

新生兒培養(yǎng)箱恒溫系統(tǒng)PID控制的實現(xiàn)，對于其高精確性、高穩(wěn)定性以及高安全性有著重要意義[12]。本研究利用簡單的試驗條件，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整定方法實現(xiàn)了系統(tǒng)的PID控制。本研究PID控制實現(xiàn)的方法對于新生兒培養(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。

[1]潘汝濤.PID控制器簡介及參數(shù)整定方法[J].科技信息,2011, （7）：472.

[2]黃友銳,曲立國.PID控制器參數(shù)整定與實現(xiàn)[M].北京：科學(xué)出版社,2010.

[3]馬占有,田俊忠,馬澤玲.溫度控制系統(tǒng)模糊自適應(yīng)PID控制器仿真[J].計算機仿真,2010,（10）：170-173.

[4]克忠,李偉.計算機控制系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2011.

[5]冷子文,高軍偉,吳賀榮,等.電加熱爐溫度遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].青島大學(xué)學(xué)報,2012,27（4）：29-32.

[6]Vance VanDoren,江旭強.使用Ziegler-Nichols方法的自整定控制[J].軟件,2007,（2）：24-27.

[7]李林琛,楊曉雪.電加熱爐溫度控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立及驗證[J].北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2010,（4）：27-31.

[8]張彥青.PID算法的單片機實現(xiàn)[J].數(shù)學(xué)技術(shù)與應(yīng)用,2014, （6）：158.

[9]張海霞,楊蕾,劉亞平.嬰兒培養(yǎng)箱使用風(fēng)險分析與控制[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2013,28（8）：98-99.

[10]劉晉宏.基于Matlab的PID溫控系統(tǒng)的設(shè)計與仿真[J].信息科學(xué),2010,（18）：20-21.

[11]王海英,袁麗英,吳勃.控制系統(tǒng)的MATLAB仿真與設(shè)計[M].北京：高等教育出版社,2009：228-236.

[12]李江全,張麗,岑紅蕾.Visual Basic串口通信與測控應(yīng)用技術(shù)實戰(zhàn)詳解[M].北京：人民郵電出版社,2007.

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