全自動酶免分析儀加樣針同步控制系統(tǒng)設計

韓仁銀,郭陽寬,祝連慶,賀 慶

(北京信息科技大學,北京100101)

0 引 言

酶免分析儀用于抗原、抗體等檢測,是乙肝等肝炎系列疾病、艾滋病及梅毒等傳染病檢測的關(guān)鍵儀器。該儀器通過加樣針系統(tǒng)(一般4個加樣針)實現(xiàn)系統(tǒng)移液,即吸取微量試劑或待測體液,并加入微孔板(一般為96孔),利用其他機構(gòu)進行檢測等。為提高儀器工作效率,保證移液動作穩(wěn)定和檢測結(jié)果精確一致性,要求儀器的各加樣針運動同步,從結(jié)構(gòu)上看就是要求對應的驅(qū)動電機運動同步(參圖2所示)。資料檢索表明,同步控制廣泛用于自動化生產(chǎn)線、裝配線、紡織、造紙、卷繞、機器人及高鐵等多種場合[1-5],在全自動酶免分析儀還沒有進行專門研究。

同步控制方式主要有:同等控制、主從控制、交叉耦合控制、偏差耦合控制和虛擬主軸控制[1-6]。同等控制方式中各電機相互獨立,無法保證各電機間跟蹤精度[7];主從控制方式中,一個電機作為主電機,其余電機為從電機,算法相對簡單,可實現(xiàn)較高精度控制[8];交叉耦合控制和偏差耦合控制主要用于存在運動耦合的場合,將電機的轉(zhuǎn)速或位置差作跟蹤信號,控制算法較為復雜[9-10];虛擬主軸控制方式是模擬機械主軸的物理特性實現(xiàn)多電機同步,具有較強的抗干擾性能,但是會出現(xiàn)短暫不同步現(xiàn)象[4]。

在同步控制中,除控制方式外,另一個研究重點是控制算法[11-12]。傳統(tǒng)PID算法成熟簡單、適應性強被廣泛采用;BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法具有較強的學習能力和非線性映射能力[11],但存在收斂速度慢等問題;模糊控制具有無需建立被控對象準確數(shù)學模型、魯棒性能好等優(yōu)點[12]。將模糊控制與PID控制相結(jié)合,即保留了傳統(tǒng)模糊控制的優(yōu)點,又能夠有效提高系統(tǒng)控制品質(zhì)[13]。

針對全自動酶免分析儀加樣針系統(tǒng)的特點,本文采用了主從控制方式與模糊PID算法相結(jié)合,實現(xiàn)儀器加樣針同步控制。

1 同步控制結(jié)構(gòu)設計

常用的控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成方式主要有兩類:第一類,PC(或IPC)配各種板卡方式。由于Windows是多任務操作系統(tǒng),為了實現(xiàn)實時控制,一般需要配一些板卡,這樣的系統(tǒng)功能強大,成本也較高;第二類PC(或IPC)利用EtherCAT等協(xié)議通過網(wǎng)線串聯(lián)專用控制驅(qū)動模塊構(gòu)建檢測控制系統(tǒng),這樣的系統(tǒng)技術(shù)先進,功能強大,成本較高。生物醫(yī)學儀器考慮成本等因素通常采用嵌入式系統(tǒng)。

全自動酶免分析儀加樣針主從控制系統(tǒng)簡圖如圖1所示。上位機通過USB與主 MCU通信,主MCU和3個從MCU通過CAN通信。主從加樣針系統(tǒng)均由包含電機驅(qū)動的電控部分、電機、傳動機構(gòu)、Tip頭(吸分液針頭)和編碼器等功能部件組成。加樣針機械結(jié)構(gòu)模型圖如圖2所示。

圖1 加樣針同步控制系統(tǒng)簡圖

圖2 加樣針機械構(gòu)圖

主從同步控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 主從同步控制結(jié)構(gòu)圖

設1號加樣針為主動,2,3,4號加樣針為從動。上位機給定位置信息,經(jīng)位置環(huán)和速度環(huán)調(diào)節(jié),編碼器反饋主加樣針位置并發(fā)送至各從機作為輸入信號,從機通過同步算法實現(xiàn)位置對主機的跟蹤同步。

位置環(huán)偏差是加樣針同步系統(tǒng)同步性能的直接體現(xiàn),速度增益反映了位置環(huán)同步特性,故采用位置環(huán)和速度環(huán)控制,速度環(huán)使用P控制?？梢娤到y(tǒng)的同步特性主要由4個加樣針系統(tǒng)的位置控制器的控制算法決定。為此,要進行同步算法設計。

2 同步算法設計

考慮本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復雜,難以建立精確數(shù)學模型,使用一般算法難以實現(xiàn)設計要求,而模糊PID不需要精確數(shù)學模型也能獲得較好的魯棒性,有助于提高控制系統(tǒng)的同步性能。因4個加樣針系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完全相同,所以在位置控制器中均采用模糊PID算法作為同步控制算法。

設 μ1(k),μ2(k),μ3(k),μ4(k)為 k 時刻電機實際反饋信號,則各電機同步偏差:

為方便論述,ei(k)簡寫為e(k),模糊PID控制位置控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 位置控制器結(jié)構(gòu)框圖

在圖4中,模糊控制器輸入為偏差e(k),偏差變化 ec(k),輸出控制量為 ΔKP,ΔKI,ΔKD。

設e(k),ec(k)模糊集論域:{-3,-2,-1,0,1,2,3},隸屬度函數(shù)如圖5所示。

圖5 e(k)和ec(k)的隸屬度函數(shù)

設輸出量ΔKP,ΔKI,ΔKD的模糊集論域分別:

{-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3}

{-0.06,-0.04,-0.02,0,0.02,0.04,0.6}

{-3,-2,-1,0,1,2,3}

偏差e(k),偏差變化ec(k)和ΔKP,ΔKI,ΔKD采用相同的模糊子集,建立ΔKP,ΔKI,ΔKD的控制規(guī)則,以ΔKP為例,如表1所示。

采用加權(quán)平均法,得模糊控制輸出:

表1 ΔKP模糊控制規(guī)則

實際應用的PID參數(shù)是在初始值基礎(chǔ)上通過自調(diào)整得出:

系統(tǒng)實際輸出:

設采樣周期為T,用一階向后差分代替偏差變化率,則:

3 系統(tǒng)硬件及軟件設計

如圖1所示,系統(tǒng)主要由通信、電機驅(qū)動、電流檢測及位置檢測等功能模塊組成。

3.1 系統(tǒng)硬件設計

圖6為同步系統(tǒng)部分電路原理圖(單個加樣針)。其中CAN網(wǎng)絡使用SN65HVD230芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā),利用CAN總線多主多從的特性,保證主從控制器實現(xiàn)多節(jié)點通信;電機驅(qū)動采用全橋驅(qū)動芯片L6201,工作時使能(Z_EN)處于高電平,芯片對輸入控制信號(Z_INIT1和Z_INIT2)放大,輸出驅(qū)動信號(DMPZ+,DMPZ-)進行電機驅(qū)動控制,該芯片包含電流反饋功能,1腳輸出信號Z-SEN為電機工作電流信號;檢測所得電流信號使用精密電流放大傳感器MAX471實現(xiàn)I/U轉(zhuǎn)換,得電壓信號ZSen-V,該信號輸入微控制器自帶12位ADC實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換;位置檢測采用光電編碼器實現(xiàn),圖中未畫出光電編碼器接線端子,該信號可直接接微控制器進行速度和位置檢測。

圖6 同步系統(tǒng)部分原理圖(單個加樣針)

3.2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件主要由3部分構(gòu)成,即上位機軟件、主控機軟件和從控機軟件。上位機程序提供用戶操作界面和向主控機發(fā)控制指令等功能。軟件主要實現(xiàn)系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)自檢、位置檢測、偏差計算、同步控制算法、速度控制等功能,系統(tǒng)執(zhí)行過程如圖7所示。

圖7 執(zhí)行過程流程圖(部分)

4 測試結(jié)果分析

全自動酶免加樣同步系統(tǒng)實物照片如圖8所示,其中左圖為一個加樣針控制系統(tǒng)照片(4個加樣針控制系統(tǒng)均一樣),右圖為將加樣針控制系統(tǒng)裝到全自動酶免儀后的4個加樣針系統(tǒng)布置方式。系統(tǒng)經(jīng)過初始化和自檢后,表明系統(tǒng)能正常工作,并能實現(xiàn)4個加樣針初始位置一致(即初始化后坐標零點)。由上位機發(fā)送位置指令給主控后,測得從動加樣針同步誤差如圖9所示。

圖8 加樣針同步系統(tǒng)(含4套加樣針系統(tǒng))實物照片

實驗結(jié)果表明,系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)前,主從加樣針最大偏差為1.3 mm,經(jīng)過75 ms后,主從加樣針偏差在±0.07 mm以內(nèi)。

圖9 加樣針同步誤差

5 結(jié) 語

在綜述同步控制的基礎(chǔ)上,設計了全自動酶免分析儀加樣針同步控制系統(tǒng),含同步控制方式設計、同步算法設計及系統(tǒng)軟硬件設計。實驗表明,所設計系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠,同步誤差較小。進一步實驗也表明,本文的同步誤差滿足全自動酶免分析儀的加樣要求。