新生兒培養箱溫度PID控制的實現

黃妙云

福建醫科大學附屬協和醫院 放療科，福建 福州 350001

新生兒培養箱溫度PID控制的實現

黃妙云

福建醫科大學附屬協和醫院 放療科，福建 福州 350001

目的 實現新生兒培養箱恒溫系統的自適應PID控制。方法 利用簡單的試驗條件，建立PID控制近似數學模型；基于PID控制近似數學模型，再利用Matlab工具軟件，根據傳統的PID整定方法實現系統的PID控制。結果 實現了新生兒培養箱溫度的PID控制。結論 新生兒培養箱溫度PID控制的實現對保證儀器的高精度、高穩定性以及高安全性有著重要意義。

新生兒培養箱；恒溫系統；PID控制；Matlab

0 前言

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

自適應PID（Proportion Integration Differentiation，比例積分微分）控制具有魯棒性強、穩定性好、控制效果明顯、結構簡單、調整方便等優點，廣泛應用于工程控制領域。本研究主要利用PID控制技術實現對培養箱溫控系統的控制，旨在為培養箱溫控系統的高精度、高穩定性以及高安全性提供借鑒。

1 PID控制器參數整定的基本方法

PID控制器參數整定是自動控制系統中非常重要的一個環節，參數整定的好壞將直接影響系統運行的穩定性和可靠性[1-2]。在目前的控制工程中，參數整定的方法有很多種，如經驗湊試法、臨界比例度法、衰減曲線法、Ziegler-Nichols法等，其中Ziegler-Nichols法的主要應用對象為一階慣性的延遲模型。

在本研究設計中，由于系統運行環境較為理想，一般無強干擾信號存在，需要控制的參數數量較少，且系統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的數學模型，再利用Matlab取得該模型的理想控制參數值，最后將此控制參數值應用于試驗模型中，通過幾次湊試得到較為理想的試驗模型的PID控制各參數值。

2 建立PID控制近似數學模型

新生兒培養箱需精確控制箱內的溫度和濕度，其運行環境相對穩定，一般是處在病房等室內較恒定的溫濕度環境中，因此外界對箱內的溫濕度的影響有限[3]。根據控制理論基礎分析，該培養箱系統可以看成是一個純滯后帶有一階慣性的控制系統，并無精確的數學模型?，F有試驗條件為：按等比例建立新生兒培養箱試驗空間模型，通過VB程序編寫PID控制參數整定輔助操作軟件[4-5]。

依據現有的理論基礎和試驗條件，根據本系統特點，基于帶有一階慣性的延遲通用模型公式：將通過Ziegler-Nichols法建立起該系統近似的數學模型[6-7]。具體方法如下：

（1）在系統中將控制量設定為總量的75％。本系統控制周期設為12s，那么其控制占空比（0.75）即為9s，系統的狀態為開環形式。

（2）利用單片機開發模塊進行控制系統的硬件開發[8-9]。設計中，將實現單片機每隔0.5s采樣一次溫度傳感器輸出的數值，使用DHT22溫濕度傳感器進行溫度采集，并換算成溫度值，再通過串口傳送給上位機；上位機接收數據，并對數據進行處理及顯示，同時實時顯示出變化曲線圖。在系統處于相對穩態時停止加熱，并結束試驗數據采集。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：在開環狀態系統初始加熱時間點、加熱后系統溫度延時時間點、系統溫度上升時間段以及近穩態時間段等。

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值計算出來。根據圖1，得到如下參數值：

根據這些數據，計算系統放大系數K：

由以上系數值，確定本系統的溫度的近似傳遞函數：

3 PID控制的參數整定

通過Ziegler-Nichols法建立起該系統近似的數學模型——帶有一階慣性的延遲數學模型，其近似傳遞函數如式（1），接著再利用Matlab軟件，進行仿真PID控制參數整定[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PID控制模型，進行仿真。PID仿真模型，見圖2。

（2）利用Matlab軟件中的仿真功能，計算出本系統近似模型的PID參數整定后的值。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控制整定參數值為基礎，將其植入單片機控制程序中，利用PID控制參數整定輔助操作軟件進行PID控制參數現場整定。利用經驗湊試法，根據不同運行初始環境，對溫度PID控制的參數進行整定，具體方法如下：

（1）對本系統的運行初始環境溫度，進行分段處理。本系統的控制溫度標準為25℃，將初始環境溫度與標準溫度差值進行分段，通過試驗，一般可分為：差12℃以上、差8～12℃、差5～8℃、差2～5℃、差2℃以內等檔位。

（2）根據不同的差值檔位分別進行試驗，以Matlab仿真所得到的PID控制整定參數值為基礎，通過經驗湊試法進行PID控制值的整定，其參數值分別為：

（3）最后，根據分段試驗得到單片機控制量數值，通過Matlab軟件擬合出一條單片機控制量數值與實際控制量的對應關系曲線方程。擬合曲線方程如下：

4 控制模塊軟件設計

單片機控制部分程序的設計與編寫是保證整個系統精度、實現實時監測的基礎，其功能應包含溫濕度數據的提取、計算、處理，最終能夠給出控制量并進行控制等（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整定后參數進行驗證。將系統放置在類病區室內，當天室外氣溫在28℃左右，有空調。本試驗分3個溫度初始值進行驗證：

首先將室內溫度通過空調設定在18℃左右進行試驗。由系統測得初始溫度為17.7℃（初始溫差為5～8℃），系統控制溫度的設定值為25℃，之后加熱器開始進行加熱，通過監控軟件對PID溫度控制情況進行觀察。觀察培養箱內溫度控制情況（圖5）。由圖可知，系統加熱延時1.6s左右，之后系統溫度開始上升；溫度從初始值達到最大值25.3℃后進入穩態，溫度最終控制在25℃左右；從加熱至進入穩態，系統共用的時間為18s，最大上超調溫度為Tmax=25.3℃，進入穩態后最小溫度為Tmin=24.7℃。根據以上數據顯示，控制系統進入穩態的調控時間符合要求，上下超調溫度在允許偏差范圍（±0.5℃）內，系統達到了設計要求。

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℃）的系統進行PID溫度控制情況驗證，結果表明系統均達到了設計要求。

基于上述3種情況，本研究又對系統進行了多次類似試驗，結果表明系統均能很好地滿足系統設計溫度的控制要求，能夠使系統在較短時間內將溫度控制在（25±0.5）℃，并能長期進入穩態。

6 結論

新生兒培養箱恒溫系統PID控制的實現，對于其高精確性、高穩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控制近似數學模型，再利用Matlab工具軟件，根據傳統的PID整定方法實現了系統的PID控制。本研究PID控制實現的方法對于新生兒培養箱的使用以及醫療領域恒溫控制系統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