改進(jìn)的PID算法在輸液加溫器中的應(yīng)用

摘 要： 針對目前市場上的輸液加溫器在使用過程中常會出現(xiàn)加熱溫度過高，顯示溫度與出口溫度偏差大的情況。以市售某公司加溫器為平臺，對加溫器的加熱過程進(jìn)行實(shí)驗研究。在溫度控制過程中采用了改進(jìn)的位置式PID算法，PID參數(shù)采用工程整定的方式獲得；通過控制可控硅的PWM占空比達(dá)到控制加熱效果；通過Matlab的曲線擬合功能，獲取估測的出口水溫與實(shí)際出口溫度的近似關(guān)系。最后經(jīng)過測試對比，有較好的加熱效果和較高的溫控精度，符合臨床使用的要求。

關(guān)鍵字： 改進(jìn)的位置式PID算法； 數(shù)據(jù)處理； 輸液加溫器； 溫度控制

中圖分類號： TN710?34； TP272 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）01?0110?03

0 引 言

病人在進(jìn)行輸液時，如果長期進(jìn)行低溫輸液，不僅會降低輸液效果，還可能會使病人產(chǎn)生諸如胃部疼痛、出現(xiàn)凝血障礙、輸液不吸收、腹瀉、降低病人機(jī)體抗感染能力等不良反應(yīng)，在輸液速度較快、量大時，低溫輸液甚至?xí)C(jī)病人生命。因此，輸液加溫器應(yīng)運(yùn)而生，成了相關(guān)醫(yī)療機(jī)構(gòu)關(guān)注的熱點(diǎn)。但對液體加熱過大同樣會造成新的醫(yī)療問題，不僅利于病人的治療，甚至可能危及病人生命安全。而現(xiàn)有的輸液加溫器時有在加熱過程加熱溫度過高的問題，有時甚至比設(shè)定溫度高出3～10 ℃（一般情況下高于設(shè)定溫度1 ℃，就認(rèn)為是溫度過沖，正常的工作溫度應(yīng)在設(shè)定溫度±1 ℃或更少），鑒于這種情況。本文通過實(shí)驗，研究液體流速與出口液體溫度的關(guān)系，采用位置式PID算法取代原加溫器的算法，對加溫器的加熱溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制，最后在室溫下獲得較好的實(shí)驗結(jié)果。

1 PID控制算法簡介

PID（Proportional Integral Differential）控制算法由于其算法效率高和魯棒性好，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，數(shù)字PID控制算法常分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。

數(shù)字位置式PID表達(dá)式為：

[u（k）=KPe（k）+KIj=0ke（j）+KD[e（k）-e（k-1）]] （1）

式中：[e（k）]為基本偏差值，表示第[k]次取樣的測量值與設(shè)定值間的差；[u（k）]為控制量輸出值，表示第[k]次取樣后的控制量輸出值；[KP]為比例系數(shù)；[KI]為積分系數(shù)；[KD]為微分系數(shù)。

數(shù)字增量式PID表達(dá)式為：

[u（k）=KP[e（k）-e（k-1）]+KIe（k）+KD[e（k）-2e（k-1）+e（k-2）]] （2）

增量式PID算法與位置式PID算法相比，雖然具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1） 計算機(jī)輸出增量，所以誤動作影響小，必要時可用邏輯判斷的方法去掉。

（2） 手動/自動切換時沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無擾動切換。此外，當(dāng)計算機(jī)發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，故依然能保持原值。

（3） 不產(chǎn)生積分失控，所以容易獲得較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

但增量式算法具有以下不足之處：

（1） 積分截斷效應(yīng)大，有靜態(tài)誤差；

（2） 溢出的影響大。

由于本實(shí)驗采用液體加溫器，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有明顯的慣性和滯后性（無算法控制下，加熱時間越長，加熱過沖越大，輸出的溫度曲線抖動大），且對溫度的控制精度（不能出現(xiàn)過沖現(xiàn)象）、自然降溫速度慢（相對加熱速度），本文采用了改進(jìn)式的位置PID算法。 圖1為本文所采用的改進(jìn)的PID算法的流程圖。