婴儿培养箱温度控制系统设计方案解析

引言

婴儿培养箱主要应用于早产儿、低体重儿、病危儿或发育不良的新生儿的临床医疗。在儿科的医疗护理中占有重要地位，是医院不可或缺的医疗器械[1][2]。由于此类婴儿的特殊性，所以婴儿培养箱对控制精度、稳定性能和安全性都有较高要求。现今市场上的婴儿培养箱大多采用传统的PID算法。常规PID算法是过程控制中应用最为广泛的一种基本控制规律，具有稳定性高、鲁棒性好等优点。但其对时变非线性系统来说控制就难以达到很好的效果。本文采用模糊PID算法对婴儿培养箱的温度加以控制，系统的动静态特性得到进一步改善。

1 婴儿培养箱温度控制系统的设计

本系统利用单片机技术对培养箱温度实施伺服控制，开机即可自动进入箱温控制状态。温度控制监测仪是仪器的核心部件，具有温度设置，实时温度监测等功能。系统组成框图如图1所示：

婴儿培养箱内的空气温度具有延迟性，从检测到箱内温度小于设定值到加热器开始加热，箱内温度会持续降低一段时间，当加热停止时，温度并不会马上停止上升而是上升一段时间后才停止。因此，婴儿培养箱内的温度一直在上下波动。采用模糊自适应PID控制可以较好的解决此类问题，微分控制分量可以改善系统的动态特性，而积分控制分量可以减少系统静差。

2 系统的硬件结构

本系统硬件结构控制芯片选用16位低功耗MSP430系列单片机[3][4]，采用DS18B20温度传感器将婴儿培养箱的温度测量值通过单线传入单片机I/O口，与传统的热敏电阻相比,它能够直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过编程实现9～12 位的数字值读数方式;可以分别在93. 75 ms 和750 ms 内完成9 位和12 位的数字量。温度测量值在单片机内部经过模糊自适应PID运算后，输出控制信号给光耦离合器，以实现输入信号和输出信号的隔离，减少干扰，和实现信号的放大。放大后的信号用于控制可控硅，从而实现对加热丝工作与否的控制。通过键盘和液晶显示分别实现对温度值进行标定，定时显示温度值，设定上下限报警值等功能。具体电路如图2所示。

3 软件设计

软件设计主要采用自适应模糊PID控制方法[5][6][7][8]。模糊控制是一种以模糊控制论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的新型计算机智能控制。与传统的PID算法相结合形成了模糊自适应控制理论，运用模糊推理实现PID参数的自动调整。

自适应模糊PID控制器以误差E和误差变化Ec作为输入,可以满足不同时刻偏差E和偏差变化率Ec对PID参数自整定的要求。利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改,便构成了自适应模糊PID控制器,如图3所示。

设定输入变量E和Ec语言值的模糊子集为{负，负中, 负小, 零, 正小, 正中, 正大}, 并简记为{NB,NM, NS, ZO, PS, PM, PB}, 将误差E 和误差变化率Ec 量化到( - 5, 5) 的区域内，输入变量的隶属函数曲线如图4所示。同样, 设计输出量KP、KI和KD的模糊子集为{ZO, PS, PM, PB}, 并分别将其量化到区域( 0, 3) ，（0，0.2），（0，0.8）内。