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上海博迅醫療生物儀器股份有限公司恒溫恒濕培養箱智能控制系統研究

[導讀]溫濕度控制系統是恒溫恒濕培養箱的核心, 其控制水平高低是培養箱的主要性能指標。本文提出了采用Fuzzy-PID控制器并行工作策略和PID控制算法分別對培養箱溫度和濕度進行控制, 同時具體給出了控制系統整體軟件

溫濕度控制系統是恒溫恒濕培養箱的核心, 其控制水平高低是培養箱的主要性能指標。本文提出了采用Fuzzy-PID控制器并行工作策略和PID控制算法分別對培養箱溫度和濕度進行控制, 同時具體給出了控制系統整體軟件設計思路及各環節主要硬件組成, 最終控制系統能滿足預期設定溫濕度控制預期指標要求。

體外培養技術是科研工作的重要手段, 被醫療等多種學科所利用, 培養箱是主要的使用設備。人工體外培養需通過控制一定的溫度、濕度、氣體濃度等指標人工制造微生物、細胞和細菌生長繁殖的接近活體實際生存環境。培養箱的溫濕度是最基本的指標, 溫濕度控制系統是培養箱的核心, 其控制水平的高低是關系到培養箱性能的主要指標。由于恒溫恒濕試驗箱控制系統是一個具有多變量、非線性、大時滯、強耦合的系統, 常規的控制方法對這種復雜系統的實時有效控制存在很大困難。本設計對溫度控制采取Fuzzy-PID控制器并行工作的策略, 濕度控制采取傳統的PID控制算法, 以提高培養箱控制系統的性能及質量。

1 FUZZY-PID控制

PID控制適用于可建立精確數學模型的確定性控制系統, 具有結構簡單, 穩定性好, 可靠性高等特點。PID控制的關鍵是PID參數的整定。在實際的應用中, 由于被控對象或過程機理復雜, 具有非線性, 時變不確定性和純滯后性;在噪聲, 負載干擾等影響下, 過程參數隨時間以及工作環境的變化而變化, 此時PID控制效果不理想。以誤差和誤差變化率作為輸入變量的二維模糊控制具有比例、微分控制作用, 但缺少積分控制作用, 控制系統達到穩態時誤差大。將PID控制引入到模糊控制器中, 將模糊控制與PID控制結合, 構成FUZZY-PID復合控制器, 就可揚長避短, 既具有模糊控制的靈活、適應性強特點, 又具有PID控制精度高特點, 使系統具有較快的動態響應, 較高的穩態精度。

恒溫恒濕培養箱為雙輸入雙輸出系統, 培養箱要求對溫度信號進行高精度控制。傳統PID控制器在工作點附近有理想線性特性, 模糊控制方法無須建立被控對象數學模型, 在偏離工作點的區域可改善控制的動態性能, 同時對噪聲也有較強的抑制能力, 魯棒性較好的特性。對溫度采取Fuzzy--PID控制并行工作的策略, 濕度控制采取傳統的PID控制算法, 溫度、濕度獨立控制。

2 系統整體設計

恒溫恒濕培養箱提供體外的培養環境主要由溫度、濕度兩個指標衡量, 屬于多輸入控制系統的集合體。整體設計可劃分為恒溫控制與恒濕控制兩大核心控制系統和按鍵、顯示、聲光報警和數據存儲下載輔助系統。恒溫系統完成溫度的閉環控制, 其工作過程可概括為:MCU系統按控制算法對采集的溫度數據進行處理, 輸出的控制量傳送到驅動電路, 從而控制起加熱功能的電熱器的通斷、以及壓縮機和風扇的啟停, 使溫度達到目標值, 實現對箱體溫度的控制, 因此系統包含傳感器檢測、信號處理、MCU控制、人機交互系統和電源等功能模塊。恒濕系統完成濕度恒定的功能, 與恒溫系統工作過程類似。MCU系統按照一定的控制算法對濕度信息處理, 控制輸出量傳送到驅動電路, 在空氣自然交換的基礎上控制霧化器的工作, 使濕度達到設定值, 實現對箱體濕度的控制。

3 系統硬件設計

單片機控制單元:參照單片機性價比, 選用8位單片機。

溫度檢測單元:由于集成溫度傳感器抗干擾能力強, 溫度與輸出電流線性關系好, 響應速度快, 信號調理電路容易實現因此本設計采用集成溫度傳感器。

濕度檢測單元:濕度檢測采用數字式傳感器。

驅動控制單元:驅動控制單元采用可控硅實現被控對象的啟停控制。可控硅是無觸點開關, 可快速接通、切斷電路, 功率大、體積小、效率高、穩定性好、工作可靠。

控制執行單元:控制執行單元包括電熱管、壓縮機、霧化器等。人機交互單元:人機交互單元包括鍵盤、液晶顯示、發光二極管、蜂鳴器等。

電源電路:系統采用220V交流電源供電, 通過直流穩壓電源電路為各功能單元提供直流穩壓, 包括變壓器、整流電路、濾波電路、穩壓電路四部分。為了防范交流供電系統突然斷電, 提高恒溫恒濕培養箱的可靠性, 配備了8節2400m Ah Ni MH電池串聯組成的后備電源。

4 系統軟件設計

溫、濕度控制系統軟件設計的思路為:單片機上電復位后, 對系統進行自檢與初始化。系統初始化包括的模塊有:輸入/輸出口、RAM中的變量、堆棧、定時器、中斷、顯示、ADC等。初始化完成后進入主程序, 主程序是執行調度功能的循環體, 各功能模塊以子程序形式存儲由主程序調用相互獨立調試方便。主程序是軟件設計的核心, 所有子程序的工作狀態由主程序管理。主程序判斷各個狀態的入口條件, 條件成立就轉向子程序的運行, 子程序處理完對應


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