基于模糊PID算法的嬰兒培養箱的研究
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引言
嬰兒培養箱主要應用于早產(chǎn)兒、低體重兒、病危兒或發(fā)育不良的新生兒的臨床醫療。在兒科的醫療護理中占有重要地位，是醫院不可或缺的醫療器械[1][2]。由于此類(lèi)嬰兒的特殊性，所以嬰兒培養箱對控制精度、穩定性能和安全性都有較高要求?，F今市場(chǎng)上的嬰兒培養箱大多采用傳統的PID算法。常規PID算法是過(guò)程控制中應用最為廣泛的一種基本控制規律，具有穩定性高、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)。但其對時(shí)變非線(xiàn)性系統來(lái)說(shuō)控制就難以達到很好的效果。本文采用模糊PID算法對嬰兒培養箱的溫度加以控制，系統的動(dòng)靜態(tài)特性得到進(jìn)一步改善。
1 嬰兒培養箱溫度控制系統的設計
本系統利用單片機技術(shù)對培養箱溫度實(shí)施伺服控制，開(kāi)機即可自動(dòng)進(jìn)入箱溫控制狀態(tài)。溫度控制監測儀是儀器的核心部件，具有溫度設置，實(shí)時(shí)溫度監測等功能。系統組成框圖如圖1所示：
嬰兒培養箱內的空氣溫度具有延遲性，從檢測到箱內溫度小于設定值到加熱器開(kāi)始加熱，箱內溫度會(huì )持續降低一段時(shí)間，當加熱停止時(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，嬰兒培養箱內的溫度一直在上下波動(dòng)。采用模糊自適應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的動(dòng)態(tài)特性，而積分控制分量可以減少系統靜差。
2系統的硬件結構
本系統硬件結構控制芯片選用16位低功耗MSP430系列單片機[3][4]，采用DS18B20溫度傳感器將嬰兒培養箱的溫度測量值通過(guò)單線(xiàn)傳入單片機I/O口，與傳統的熱敏電阻相比,它能夠直接讀出被測溫度,并且可根據實(shí)際要求通過(guò)編程實(shí)現9～12 位的數字值讀數方式;可以分別在93. 75 ms 和750 ms 內完成9 位和12 位的數字量。溫度測量值在單片機內部經(jīng)過(guò)模糊自適應PID運算后，輸出控制信號給光耦離合器，以實(shí)現輸入信號和輸出信號的隔離，減少干擾，和實(shí)現信號的放大。放大后的信號用于控制可控硅，從而實(shí)現對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)現對溫度值進(jìn)行標定，定時(shí)顯示溫度值，設定上下限報警值等功能。具體電路如圖2所示。
3軟件設計
軟件設計主要采用自適應模糊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的新型計算機智能控制。與傳統的PID算法相結合形成了模糊自適應控制理論，運用模糊推理實(shí)現PID參數的自動(dòng)調整。
自適應模糊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PID參數自整定的要求。利用模糊控制規則在線(xiàn)對PID參數進(jìn)行修改,便構成了自適應模糊PID控制器,如圖3所示。
設定輸入變量E和Ec語(yǔ)言值的模糊子集為{負，負中, 負小, 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) 的區域內，輸入變量的隸屬函數曲線(xiàn)如圖4所示。同樣, 設計輸出量KP、KI和KD的模糊子集為{ZO, PS, PM, PB}, 并分別將其量化到區域( 0, 3) ，（0，0.2），（0，0.8）內。
根據參數KP、KI和KD對系統輸出特性的影響情況，根據實(shí)驗經(jīng)驗總結得到KP、KI和KD的控制規則表，見(jiàn)表1，表2和表3，它反映和描述了以往嬰兒培養箱在不同條件和要求下的控制經(jīng)驗和知識，是模糊推理的規則集。
根據規則表結合嬰兒培養箱控制的規律，對PID參數KP總結出下列49條模糊控制規則：
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)是當前溫度采樣值，E(T)、E(T-1)分別為當前誤差和上次采樣誤差，Ec (T)為當前誤差變化率，U(T)是PID運算結果。
4 實(shí)驗結果
為提高加溫系統的安全性，一般采取較小功率長(cháng)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，將嬰兒培養箱的箱溫設定為32℃，嬰兒培養箱分別采用常規PID與模糊PID兩種方法控制其溫度，測量將其箱溫設定在32℃時(shí)的效果，在一個(gè)周期內使用模糊PID控制的相應速度比傳統PID縮短了約3分鐘，控制效率提高34%，而且控制穩定后的溫度峰峰值為0.3度，傳統PID控制為0.5度。結果曲線(xiàn)對比如圖5所示：
1 PID control 2.Fuzzy PID control
5結論
采用模糊 PID控制嬰兒培養箱的箱溫，在控制過(guò)程中模糊 PID 控制器根據系統的實(shí)際狀態(tài)實(shí)時(shí)調整 PID參數。從實(shí)驗結果可以看出，采用模糊PID控制的嬰兒培養箱，可以使系統的過(guò)渡時(shí)間及超調量能盡可能減少，升溫速度較快，改善了系統的穩定度，提高了抗干擾性能，收到了良好的預期效果。
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