基于模糊增量式PID 控制技術的嬰兒培養箱溫度控制的研究

薛建偉

福建醫科大學附屬第一醫院 （福建福州 350000）

嬰兒培養箱通過為新生兒、病患嬰兒、早產兒等創造一個類似于母體子宮的舒適治療環境，從而保障其正常發育成長。傳統的嬰兒培養箱基本都已實現溫度的自動控制功能，控制系統一般采用普通的繼電器調溫電路或比較控制輸出電路等模擬電路[1]，但不能很好地滿足危重癥新生兒對溫度的要求[2]。基于上述情況，本研究設計一款利用模糊增量式PID 控制技術控制溫度的嬰兒培養箱，旨在提高嬰兒培養箱內溫度的穩定性，現報道如下。

1 嬰兒培養箱的控制系統方案的硬件設計

1.1 總體方案的硬件設計

嬰兒培養箱的控制系統由數據采集單元、數據存儲單元、人機接口通信單元、驅動控制單元等組成[3]。在數據采集單元中，溫度傳感器將采集到的數據送入AT89S52進行處理，通過人機接口通信單元將溫度實時顯示在8位LED上，當嬰兒培養箱內的溫度高于或低于閾值時，自動觸發溫度控制單元調節培養箱內的溫度，如圖1所示。

圖1 嬰兒培養箱的控制系統原理圖

1.2 溫度傳感器方案的硬件設計

單總線數字溫度傳感器是目前最新的測溫器件，集溫度測量、A/D 轉換于一體，具有單總線結構、數字量輸出、直接與微機接口連接等優點，既可組成單路溫度測量裝置，也可組成多路溫度測量裝置。本研究采用的溫度傳感器為DS18B20，是DALLAS 公司生產的一線式數字溫度傳感器。將地址線、數據線和控制線合為一根雙向串行傳輸數據的信號線，允許在這條信號線上掛接多個DS18B20。因此，單片機只需通過一根I/O 線就可以與多個DS18B20通信。每個芯片內含有一個64位的ROM，其中存有各個器件自身的序列號，作為器件獨有的ID 號碼。此外，DS18B20還簡化了測溫器件與計算機的接口電路，使用更加方便[4]。單片機89S52用P1.0口接1-WIRE 總線，DS18B20與89D52單片機接線如圖2所示。

圖2 DS18B20與89D52單片機接線圖

2 嬰兒培養箱的控制系統方案的軟件設計

2.1 總體方案的軟件設計

51單片機的指令系統、內部結構相對簡單，被廣泛用于家用電器、醫療設備、工業控制、通信設備中。對于51系列單片機，其主程序通常是一個調用各個子程序的過程，而子程序主要分為中斷子程序和功能子程序，它們之間可以相互嵌套和調用[5]。在軟件方案設計中，應盡可能將各功能模塊寫成子程序的形式，并通過主程序調用。監控主程序流程如圖3所示，除初始化外，監控主程序一般總是把其余部分連接起來構成一個無限循環，系統所有功能都在這一循環中周而復始地有選擇的執行。

圖3 監控主程序流程圖

2.2 數學模型建立

在溫度控制中，能量變化通常表現為熱量變化。將嬰兒培養箱視為一個單容的系統，同時忽略時間上的延遲，根據能量守恒定律建立數學模型[6]，如公式（1）所示：

式中，G0為傳遞函數，K0為放大系數，T為時間系數，τ為純滯后時間常數，s為復變量。

一般情況下，嬰兒培養箱的溫度控制在37 ℃左右，則K0＝1、T＝1 500、τ＝80，由此將公式（1）轉化為公式（2），如下所示：

式中，G0為傳遞函數，s為復變量。

采用對流熱調節的方式進行溫度控制，依據焦耳定律，嬰兒培養箱每上升1 ℃所需時間不同，這不僅與加熱系統的輸出功率有關，還與電熱絲阻值變化、嬰兒培養箱初始溫度、制作嬰兒培養箱的材料等相關，所以傳統的溫度控制方式無法滿足嬰兒培養箱內溫度的精準控制，還需引入PID 控制技術。

2.3 PID 控制算法確定

PID 控制器的原理是通過輸入信號轉化為推理機制以及準確的控制規則，得出所需的控制輸出量，然后作用于被控對象并完成實時控制。本嬰兒培養箱控制系統在達到精準控制要求的同時，兼顧成本因素，根據實際情況選擇了既能滿足使用要求、又比較容易實現的二維模糊PID控制器，其原理如圖4所示。

圖4 二維模糊PID 控制器原理圖

2.3.1 模糊處理器的軟件設計

模糊處理器有2個輸入信號[誤差（e）、誤差變化率（de）]、3個輸出信號（kp、ki、kd）。為保證嬰兒培養箱溫度的穩定輸出，該模糊處理器取e 的基本論域為[-2，2]，de 的基本論域為[-0.5，0.5]；取PID 初始參數kp=4、ki=0.01、kd=100。本系統模糊化控制規則如下：（1）當輸出和輸入的e 較小時，采用較大的比例值和較小的微分值；（2）當輸出和輸入的e 較大時，采用較大的積分值、較小的比例值和微分值；（3）當輸出和輸入的e 適中時，采用較小的比例值、適中的積分值和微分值。

通過MATLAB 仿真工具可以表明模糊PID 控制的嬰兒培養箱比傳統方式更具有優勢，具有理論上的可行性和優越性。

2.3.2 PID 控制器的軟件設計

PID控制算法大致可分為“位置式”“增量式”和“積分分離式”3種。當執行機構需要的不是控制量的絕對值，而是控制量的增量（例如去驅動電加熱系統）時，需要用PID的“增量算法”[7]。故本控制系統采用增量式PID控制算法。增量式PID控制的模擬表達如公式（3）所示：

對增量式PID 算法歸并數字表達式后，得到公式（4），如下所示：

2.3.3 PID 控制程序的軟件設計

PID 是一個閉環控制算法，它是比例（P）、積分（I）、微分（D）控制算法，其中P 反應系統的基本偏差，I 反應系統的累計偏差，D 反應系統偏差的變化率[8]。為了PID 算法能夠在S52單片機上實現，我們將其轉化為公式（4），從中已看不出是PID 的表達式了，也看不出P、I、D 作用的直接關系，只表示了各次誤差量對控制作用的影響。從公式（4）中看出，模糊增量式PID 算法，只要貯存最近的3個誤差采樣值e（k）、e（k-1）、e（k-2）就足夠了。增量式PID 控制算法的流程圖如圖5所示：

圖5 PID 控制程序流程圖

2.4 溫度傳感器軟件方案設計

使用DS18B20時，主機應先向DS18B20送出復位信號，主機將數據線拉低并保持480～960 μs，再釋放數據線，由上拉電阻拉高15～60 μs，然后由DS18B20發出低電平60～240 μs，就完成了復位操作，初始化復位時序圖如圖6所示[9]。

圖6 初始化復位時序圖

通過DS18B20采集來的16位二進制數據轉換成十進制的溫度值，并將23H 存十位數，22H 存個位數，21H 存小數位，將溫度值的結果存入7FH，再將采集的溫度值供顯示子程序和模糊PID 控制算法使用，其溫度采集程序流程圖如圖7所示。

圖7 溫度采集程序流程圖

3 系統控制算法的模型仿真

為了比較傳統PID控制算法、模糊控制算法和模糊PID控制算法的優缺點和有效性，采用MATLAB軟件對幾種算法進行仿真。通過MATLAB的Simulink環境下，搭建仿真平臺[10]，在設定溫度為37.5 ℃情況下，可以得到以下相關溫度控制響應曲線，如圖8所示。從圖中可以看出，采用傳統PID控制方法時，系統超調量為18%，穩態誤差為0；采用模糊控制方法時，系統超調量為7%，穩態誤差為6%；采用模糊PID控制方法時，系統在啟動20 s后就達到了設定的穩定狀態（37.5 ℃）且不存在超調。

圖8 溫度控制響應曲線

4 小結

本研究設計了一款基于模糊增量式PID 控制技術控制溫度的嬰兒培養箱，可以顯著提高嬰兒培養箱內溫度的準確性和穩定性。在控制算法方面，采用了模糊控制和PID控制相結合的方式，對傳統的控制方案進行了優化和改進，使控制方案更加科學合理，實際效果更加理想。