新生儿培养箱温度PID控制的实现

黄妙云

【摘 要】Objective To realize the PID (Proportional-Integral-Derivative) control of the neonatal incubator.Methods The PID-controlled approximate mathematical model was established with utilization of simple experimental conditions. And then the Matlab software was applied to realize the systematic 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 a signiifcant role in ensuring the high precision, stability and security of the instrument.%目的 实现新生儿培养箱恒温系统的自适应PID控制.方法 利用简单的试验条件,建立PID控制近似数学模型;基于PID控制近似数学模型,再利用Matlab工具软件,根据传统的PID整定方法实现系统的PID控制.结果 实现了新生儿培养箱温度的PID控制.结论 新生儿培养箱温度PID控制的实现对保证仪器的高精度、高稳定性以及高安全性有着重要意义. 【期刊名称】《中国医疗设备》 【年(卷),期】2015(030)008 【总页数】4页(P21-23,32)

【关键词】新生儿培养箱;恒温系统;PID控制;Matlab 【作 者】黄妙云

【作者单位】福建医科大学附属协和医院放疗科,福建福州 350001

【正文语种】中 文 【中图分类】R197.39

随着技术的不断更新，新生儿培养箱的温度控制水平也在不断提升，这对于培养箱使用的安全性有着重要意义。

自适应PID（Proportion Integration Differentiation，比例积分微分）控制具有鲁棒性强、稳定性好、控制效果明显、结构简单、调整方便等优点，广泛应用于工程控制领域。本研究主要利用PID控制技术实现对培养箱温控系统的控制，旨在为培养箱温控系统的高精度、高稳定性以及高安全性提供借鉴。

PID控制器参数整定是自动控制系统中非常重要的一个环节，参数整定的好坏将直接影响系统运行的稳定性和可靠性[1-2]。在目前的控制工程中，参数整定的方法有很多种，如经验凑试法、临界比例度法、衰减曲线法、Ziegler-Nichols法等，其中Ziegler-Nichols法的主要应用对象为一阶惯性的延迟模型。

在本研究设计中，由于系统运行环境较为理想，一般无强干扰信号存在，需要控制的参数数量较少，且系统为一阶惯性的延迟模型，因此可先通过Ziegler-Nichols法的阶跃曲线获得相应的数学模型，再利用Matlab取得该模型的理想控制参数值，最后将此控制参数值应用于试验模型中，通过几次凑试得到较为理想的试验模型的PID控制各参数值。

新生儿培养箱需精确控制箱内的温度和湿度，其运行环境相对稳定，一般是处在病房等室内较恒定的温湿度环境中，因此外界对箱内的温湿度的影响有限[3]。根据控制理论基础分析，该培养箱系统可以看成是一个纯滞后带有一阶惯性的控制系统，并无精确的数学模型。现有试验条件为：按等比例建立新生儿培养箱试验空间模型，通过VB程序编写PID控制参数整定辅助操作软件[4-5]。

依据现有的理论基础和试验条件，根据本系统特点，基于带有一阶惯性的延迟通用

模型公式：将通过Ziegler-Nichols法建立起该系统近似的数学模型[6-7]。具体方法如下：

（1）在系统中将控制量设定为总量的75％。本系统控制周期设为12s，那么其控制占空比（0.75）即为9s，系统的状态为开环形式。

（2）利用单片机开发模块进行控制系统的硬件开发[8-9]。设计中，将实现单片机每隔0.5s采样一次温度传感器输出的数值，使用DHT22温湿度传感器进行温度采集，并换算成温度值，再通过串口传送给上位机；上位机接收数据，并对数据进行处理及显示，同时实时显示出变化曲线图。在系统处于相对稳态时停止加热，并结束试验数据采集。最后试验采集到的实时温度曲线，见图1。该曲线包含的信息有：在开环状态系统初始加热时间点、加热后系统温度延时时间点、系统温度上升时间段以及近稳态时间段等。

（3）通过画图方法，将曲线中所需要的时间参数值计算出来。根据图1，得到如下参数值：

其中为初始温度（℃），为系统稳定后温度（℃），为系统控制周期时间（s），为软件中温度曲线计算点。

根据这些数据，计算系统放大系数K：

根据图1和程序参数可得到惯性时间T以及延时时间： 由以上系数值，确定本系统的温度的近似传递函数：

通过Ziegler-Nichols法建立起该系统近似的数学模型——带有一阶惯性的延迟数学模型，其近似传递函数如式（1），接着再利用Matlab软件，进行仿真PID控制参数整定[10]，具体方法如下：

（1）利用Matlab软件中的Simuink功能模块[11]，建立本系统PID控制模型，进行仿真。PID仿真模型，见图2。

（2）利用Matlab软件中的仿真功能，计算出本系统近似模型的PID参数整定后

的值。它们分别为：比例模块，积分模块，微分模块。仿真系统控制效果，见图3。 以Matlab仿真得到的PID控制整定参数值为基础，将其植入单片机控制程序中，利用PID控制参数整定辅助操作软件进行PID控制参数现场整定。利用经验凑试法，根据不同运行初始环境，对温度PID控制的参数进行整定，具体方法如下： （1）对本系统的运行初始环境温度，进行分段处理。本系统的控制温度标准为25℃，将初始环境温度与标准温度差值进行分段，通过试验，一般可分为：差12℃以上、差8～12℃、差5～8℃、差2～5℃、差2℃以内等档位。

（2）根据不同的差值档位分别进行试验，以Matlab仿真所得到的PID控制整定参数值为基础，通过经验凑试法进行PID控制值的整定，其参数值分别为： （3）最后，根据分段试验得到单片机控制量数值，通过Matlab软件拟合出一条单片机控制量数值与实际控制量的对应关系曲线方程。拟合曲线方程如下： 其中，为测量值与标准值之差，为单片机与实际控制量关系系数。

单片机控制部分程序的设计与编写是保证整个系统精度、实现实时监测的基础，其功能应包含温湿度数据的提取、计算、处理，最终能够给出控制量并进行控制等（图4）。

利用PID控制辅助操作软件对PID整定后参数进行验证。将系统放置在类病区室内，当天室外气温在28℃左右，有空调。本试验分3个温度初始值进行验证： 首先将室内温度通过空调设定在18℃左右进行试验。由系统测得初始温度为17.7℃（初始温差为5～8℃），系统控制温度的设定值为25℃，之后加热器开始进行加热，通过监控软件对PID温度控制情况进行观察。观察培养箱内温度控制情况（图5）。由图可知，系统加热延时1.6s左右，之后系统温度开始上升；温度从初始值达到最大值25.3℃后进入稳态，温度最终控制在25℃左右；从加热至进入稳态，系统共用的时间为18s，最大上超调温度为Tmax=25.3℃，进入稳态后最小温度为Tmin=24.7℃。根据以上数据显示，控制系统进入稳态的调控时间符合

要求，上下超调温度在允许偏差范围（±0.5℃）内，系统达到了设计要求。 用同样方法，对初始温度为19.1℃时（初始温差为5～8℃）、初始温度为23.5℃时（初始温差为0～2℃）的系统进行PID温度控制情况验证，结果表明系统均达到了设计要求。

基于上述3种情况，本研究又对系统进行了多次类似试验，结果表明系统均能很好地满足系统设计温度的控制要求，能够使系统在较短时间内将温度控制在（25±0.5）℃，并能长期进入稳态。

新生儿培养箱恒温系统PID控制的实现，对于其高精确性、高稳定性以及高安全性有着重要意义[12]。本研究利用简单的试验条件，建立PID控制近似数学模型，再利用Matlab工具软件，根据传统的PID整定方法实现了系统的PID控制。本研究PID控制实现的方法对于新生儿培养箱的使用以及医疗领域恒温控制系统的控制具有一定的借鉴意义。

【相关文献】

[1]潘汝涛.PID控制器简介及参数整定方法[J].科技信息,2011, （7）：472. [2]黄友锐,曲立国.PID控制器参数整定与实现[M].北京：科学出版社,2010.

[3]马占有,田俊忠,马泽玲.温度控制系统模糊自适应PID控制器仿真[J].计算机仿真,2010,（10）：170-173.

[4]克忠,李伟.计算机控制系统[M].北京：清华大学出版社,2011.

[5]冷子文,高军伟,吴贺荣,等.电加热炉温度远程监控系统设计[J].青岛大学学报,2012,27（4）：29-32.

[6]Vance VanDoren,江旭强.使用Ziegler-Nichols方法的自整定控制[J].软件,2007,（2）：24-27. [7]李林琛,杨晓雪.电加热炉温度控制系统数学模型的建立及验证[J].北京工业职业技术学院学报,2010,（4）：27-31.

[8]张彦青.PID算法的单片机实现[J].数学技术与应用,2014, （6）：158.

[9]张海霞,杨蕾,刘亚平.婴儿培养箱使用风险分析与控制[J].中国医疗设备,2013,28（8）：98-99. [10]刘晋宏.基于Matlab的PID温控系统的设计与仿真[J].信息科学,2010,（18）：20-21. [11]王海英,袁丽英,吴勃.控制系统的MATLAB仿真与设计[M].北京：高等教育出版社,2009：228-

236.

[12]李江全,张丽,岑红蕾.Visual Basic串口通信与测控应用技术实战详解[M].北京：人民邮电出版社,2007.