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上海博迅实业有限公司医疗设备厂恒温恒湿培养箱智能控制系统研究

[导读]​温湿度控制系统是上海博迅实业有限公司医疗设备厂恒温恒湿培养箱的核心, 其控制水平高低是培养箱的主要性能指标。本文提出了采用fuzzy-pid控制器并行工作策略和pid控制算法分别对培养箱温度和湿度进行控制,

温湿度控制系统是恒温恒湿培养箱的核心, 其控制水平高低是培养箱的主要性能指标。本文提出了采用fuzzy-pid控制器并行工作策略和pid控制算法分别对培养箱温度和湿度进行控制, 同时具体给出了控制系统整体软件设计思路及各环节主要硬件组成, 最终控制系统能满足预期设定温湿度控制预期指标要求。

引言

体外培养技术是科研工作的重要手段, 被医疗等多种学科所利用, 培养箱是主要的使用设备。人工体外培养需通过控制一定的温度、湿度、气体浓度等指标人工制造微生物、细胞和细菌生长繁殖的接近活体实际生存环境。培养箱的温湿度是最基本的指标, 温湿度控制系统是培养箱的核心, 其控制水平的高低是关系到培养箱性能的主要指标。由于恒温恒湿试验箱控制系统是一个具有多变量、非线性、大时滞、强耦合的系统, 常规的控制方法对这种复杂系统的实时有效控制存在很大困难。本设计对温度控制采取fuzzy-pid控制器并行工作的策略, 湿度控制采取传统的pid控制算法, 以提高培养箱控制系统的性能及质量。

1 fuzzy-pid控制

pid控制适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统, 具有结构简单, 稳定性好, 可靠性高等特点。pid控制的关键是pid参数的整定。在实际的应用中, 由于被控对象或过程机理复杂, 具有非线性, 时变不确定性和纯滞后性;在噪声, 负载干扰等影响下, 过程参数随时间以及工作环境的变化而变化, 此时pid控制效果不理想。以误差和误差变化率作为输入变量的二维模糊控制具有比例、微分控制作用, 但缺少积分控制作用, 控制系统达到稳态时误差大。将pid控制引入到模糊控制器中, 将模糊控制与pid控制结合, 构成fuzzy-pid复合控制器, 就可扬长避短, 既具有模糊控制的灵活、适应性强特点, 又具有pid控制精度高特点, 使系统具有较快的动态响应, 较高的稳态精度。

恒温恒湿培养箱为双输入双输出系统, 培养箱要求对温度信号进行高精度控制。传统pid控制器在工作点附近有理想线性特性, 模糊控制方法无须建立被控对象数学模型, 在偏离工作点的区域可改善控制的动态性能, 同时对噪声也有较强的抑制能力, 鲁棒性较好的特性。对温度采取fuzzy--pid控制并行工作的策略, 湿度控制采取传统的pid控制算法, 温度、湿度独立控制。

2 系统整体设计

恒温恒湿培养箱提供体外的培养环境主要由温度、湿度两个指标衡量, 属于多输入控制系统的集合体。整体设计可划分为恒温控制与恒湿控制两大核心控制系统和按键、显示、声光报警和数据存储下载辅助系统。恒温系统完成温度的闭环控制, 其工作过程可概括为:mcu系统按控制算法对采集的温度数据进行处理, 输出的控制量传送到驱动电路, 从而控制起加热功能的电热器的通断、以及压缩机和风扇的启停, 使温度达到目标值, 实现对箱体温度的控制, 因此系统包含传感器检测、信号处理、mcu控制、人机交互系统和电源等功能模块。恒湿系统完成湿度恒定的功能, 与恒温系统工作过程类似。mcu系统按照一定的控制算法对湿度信息处理, 控制输出量传送到驱动电路, 在空气自然交换的基础上控制雾化器的工作, 使湿度达到设定值, 实现对箱体湿度的控制。

3 系统硬件设计

单片机控制单元:参照单片机性价比, 选用8位单片机。

温度检测单元:由于集成温度传感器抗干扰能力强, 温度与输出电流线性关系好, 响应速度快, 信号调理电路容易实现因此本设计采用集成温度传感器。

湿度检测单元:湿度检测采用数字式传感器。

驱动控制单元:驱动控制单元采用可控硅实现被控对象的启停控制。可控硅是无触点开关, 可快速接通、切断电路, 功率大、体积小、效率高、稳定性好、工作可靠。

控制执行单元:控制执行单元包括电热管、压缩机、雾化器等。人机交互单元:人机交互单元包括键盘、液晶显示、发光二极管、蜂鸣器等。

电源电路:系统采用220v交流电源供电, 通过直流稳压电源电路为各功能单元提供直流稳压, 包括变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四部分。为了防范交流供电系统突然断电, 提高恒温恒湿培养箱的可靠性, 配备了8节2400m ah ni mh电池串联组成的后备电源。

4 系统软件设计

温、湿度控制系统软件设计的思路为:单片机上电复位后, 对系统进行自检与初始化。系统初始化包括的模块有:输入/输出口、ram中的变量、堆栈、定时器、中断、显示、adc等。初始化完成后进入主程序, 主程序是执行调度功能的循环体, 各功能模块以子程序形式存储由主程序调用相互独立调试方便。主程序是软件设计的核心, 所有子程序的工作状态由主程序管理。主程序判断各个状态的入口条件, 条件成立就转向子程序的运行, 子程序处理完对应的事务后再返回主程序。主程序在程序上电复位后, 首先对各工作模块进行必要的初始化工作, 主要包括中断设置、外围接口的输入输出方式设置等。

软件设计包括监控程序和各应用程序的设计, 分为总体设计和模块设计两个阶段。恒温恒湿培养箱控制系统的软件设计任务主要包括如下几方面:

信息采集:主要包括温度、湿度测量。单片机内部的adc将采集的模拟量数据转换为数字量。定时、计数器作为采样时钟。采用滑动滤波方式消除异常值, 消除脉冲信号干扰, 提高测量精度。

控制系统设计:单片机的输出控制箱体内的风扇、压缩机、


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