基于模糊PID算法的嬰兒培養(yǎng)箱的研究

引言

嬰兒培養(yǎng)箱主要應(yīng)用于早產(chǎn)兒、低體重兒、病危兒或發(fā)育不良的新生兒的臨床醫(yī)療。在兒科的醫(yī)療護(hù)理中占有重要地位，是醫(yī)院不可或缺的醫(yī)療器械[1][2]。由于此類(lèi)嬰兒的特殊性，所以嬰兒培養(yǎng)箱對(duì)控制精度、穩(wěn)定性能和安全性都有較高要求?，F(xiàn)今市場(chǎng)上的嬰兒培養(yǎng)箱大多采用傳統(tǒng)的PID算法。常規(guī)PID算法是過(guò)程控制中應(yīng)用最為廣泛的一種基本控制規(guī)律，具有穩(wěn)定性高、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。但其對(duì)時(shí)變非線(xiàn)性系統(tǒng)來(lái)說(shuō)控制就難以達(dá)到很好的效果。本文采用模糊PID算法對(duì)嬰兒培養(yǎng)箱的溫度加以控制，系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性得到進(jìn)一步改善。

1 嬰兒培養(yǎng)箱溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用單片機(jī)技術(shù)對(duì)培養(yǎng)箱溫度實(shí)施伺服控制，開(kāi)機(jī)即可自動(dòng)進(jìn)入箱溫控制狀態(tài)。溫度控制監(jiān)測(cè)儀是儀器的核心部件，具有溫度設(shè)置，實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)等功能。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示：

嬰兒培養(yǎng)箱內(nèi)的空氣溫度具有延遲性，從檢測(cè)到箱內(nèi)溫度小于設(shè)定值到加熱器開(kāi)始加熱，箱內(nèi)溫度會(huì)持續(xù)降低一段時(shí)間，當(dāng)加熱停止時(shí)，溫度并不會(huì)馬上停止上升而是上升一段時(shí)間后才停止。因此，嬰兒培養(yǎng)箱內(nèi)的溫度一直在上下波動(dòng)。采用模糊自適應(yīng)PID控制可以較好的解決此類(lèi)問(wèn)題，微分控制分量可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，而積分控制分量可以減少系統(tǒng)靜差。

2系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)控制芯片選用16位低功耗MSP430系列單片機(jī)[3][4]，采用DS18B20溫度傳感器將嬰兒培養(yǎng)箱的溫度測(cè)量值通過(guò)單線(xiàn)傳入單片機(jī)I/O口，與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比,它能夠直接讀出被測(cè)溫度,并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)9～12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式;可以分別在93. 75 ms 和750 ms 內(nèi)完成9 位和12 位的數(shù)字量。溫度測(cè)量值在單片機(jī)內(nèi)部經(jīng)過(guò)模糊自適應(yīng)PID運(yùn)算后，輸出控制信號(hào)給光耦離合器，以實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的隔離，減少干擾，和實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大。放大后的信號(hào)用于控制可控硅，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱絲工作與否的控制。通過(guò)鍵盤(pán)和液晶顯示分別實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度值進(jìn)行標(biāo)定，定時(shí)顯示溫度值，設(shè)定上下限報(bào)警值等功能。具體電路如圖2所示。

3軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要采用自適應(yīng)模糊PID控制方法[5][6][7][8]。模糊控制是一種以模糊控制論、模糊語(yǔ)言變量及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的新型計(jì)算機(jī)智能控制。與傳統(tǒng)的PID算法相結(jié)合形成了模糊自適應(yīng)控制理論，運(yùn)用模糊推理實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整。

自適應(yīng)模糊PID控制器以誤差E和誤差變化Ec作為輸入,可以滿(mǎn)足不同時(shí)刻偏差E和偏差變化率Ec對(duì)PID參數(shù)自整定的要求。利用模糊控制規(guī)則在線(xiàn)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改,便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID控制器,如圖3所示。

設(shè)定輸入變量E和Ec語(yǔ)言值的模糊子集為{負(fù)，負(fù)中, 負(fù)小, 零, 正小, 正中, 正大}, 并簡(jiǎn)記為{NB,NM, NS, ZO, PS, PM, PB}, 將誤差E 和誤差變化率Ec 量化到( - 5, 5) 的區(qū)域內(nèi)，輸入變量的隸屬函數(shù)曲線(xiàn)如圖4所示。同樣, 設(shè)計(jì)輸出量KP、KI和KD的模糊子集為{ZO, PS, PM, PB}, 并分別將其量化到區(qū)域( 0, 3) ，（0，0.2），（0，0.8）內(nèi)。

根據(jù)參數(shù)KP、KI和KD對(duì)系統(tǒng)輸出特性的影響情況，根據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得到KP、KI和KD的控制規(guī)則表，見(jiàn)表1，表2和表3，它反映和描述了以往嬰兒培養(yǎng)箱在不同條件和要求下的控制經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，是模糊推理的規(guī)則集。

根據(jù)規(guī)則表結(jié)合嬰兒培養(yǎng)箱控制的規(guī)律，對(duì)PID參數(shù)KP總結(jié)出下列49條模糊控制規(guī)則：

if E=NB and EC=NB， then KP=PB

if E=NB and EC=NM， then KP =PB

┇

if E=PB and EC=PB， then KP=PB

E、EC為模糊輸入變量，KP為模糊輸出變量；NB、PB，NM等為論域上的模糊集。

模糊PID控制器的工作流程圖如圖5所示，圖中U(T)是當(dāng)前溫度采樣值，E(T)、E(T-1)分別為當(dāng)前誤差和上次采樣誤差，Ec (T)為當(dāng)前誤差變化率，U(T)是PID運(yùn)算結(jié)果。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為提高加溫系統(tǒng)的安全性，一般采取較小功率長(zhǎng)時(shí)間加溫的方法。在環(huán)境溫度為26℃，環(huán)境濕度60%RH的情況下，將嬰兒培養(yǎng)箱的箱溫設(shè)定為32℃，嬰兒培養(yǎng)箱分別采用常規(guī)PID與模糊PID兩種方法控制其溫度，測(cè)量將其箱溫設(shè)定在32℃時(shí)的效果，在一個(gè)周期內(nèi)使用模糊PID控制的相應(yīng)速度比傳統(tǒng)PID縮短了約3分鐘，控制效率提高34%，而且控制穩(wěn)定后的溫度峰峰值為0.3度，傳統(tǒng)PID控制為0.5度。結(jié)果曲線(xiàn)對(duì)比如圖5所示：

1 PID control 2.Fuzzy PID control

5結(jié)論

采用模糊 PID控制嬰兒培養(yǎng)箱的箱溫，在控制過(guò)程中模糊 PID 控制器根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整 PID參數(shù)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用模糊PID控制的嬰兒培養(yǎng)箱，可以使系統(tǒng)的過(guò)渡時(shí)間及超調(diào)量能盡可能減少，升溫速度較快，改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定度，提高了抗干擾性能，收到了良好的預(yù)期效果。