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上海博迅恒温培养箱的温度模糊控制

[导读]恒温培养箱已经成为现代医学、医药、生化、农业、食品及工矿等行业 (部门) 实验室中的重要实验设备, 通常情况下, 恒温培养箱控制系统应当能维持箱体内稳定的温度, 为实验提供理想的恒定温度场。

1 过程分析及常规控制方法恒温培养箱具有制冷系统、加热系统和循环风机, 箱体内部气流循环控制流程为:恒温箱上电后, 循环风机就开始运行, 循环风机使箱体内的气流不停地流动, 使箱体中的气流最终达到相同的温度, 循环过程中气流先经过制冷压缩机, 如有需要可以降低气流的温度, 然后经过加热器, 根据需要可以增加气流的温度, 最后回到箱体和其中气体混合, 达到需要的温度。同时, 控制系统将协调控制制冷和加热系统, 以达到箱温波动值最小、高精度控温的目标[2]。所以温度控制成为恒温培养箱控制系统的核心问题。恒温培养箱温度模型可以近似为纯滞后的二阶惯性环节, 如下式所示:[Math Processing Error]

                    式中 K—增益系数;τ—系统延时常数。由于恒温培养箱不同的箱体大小不同, 加热器和制冷压缩机功率不太一样, 其温度模型参数是不一样的, 因此, 控制对象具有模型参数不确定性。同时, 温度具有延迟滞后的动态特性, 所以温度控制实质上是一个滞后、模型不确定系统的控制问题。若采用PID控制方法, 则参数整定困难且比较费时, 同时实验结果表明控制结果并不理想, 响应曲线超调比较大, 过渡时间长, 精度不够高[3]。而模糊控制器具有很好的鲁棒性和自适应性, 很适合模型不确定、参数变化等控制场合, 所以本恒温培养箱控制器采用模糊控制方法来控制箱体气流的温度[4,5]。2 模糊控制器的设计2.1 模糊控制器结构确定由于二维模糊控制器具有非线性控制规律, 有利于保证系统稳定性, 减少响应过程超调量[6], 系统根据恒温培养箱温度变化的非线性与时滞性, 选用二维模糊控制器, 即双输入、单输出结构的模糊控制器, 输入变量分别为温度偏差e (给定温度与实际温度之间的偏差) 及其变化率ec, 输出控制量为u, 恒温培养箱温度模糊控制系统如图1所示。                                                                  图1 恒温培养箱温度模糊控制器原理框图    下载原图

2.2 模糊划分及模糊化设温度偏差e的基本论域为[-60 ℃, +60 ℃], 温度偏差变化率ec的基本论域为[-12, +12], 输出u的基本论域为[-0.7, +0.7], e、ec和u的语言变量E、EC和U均划分为7个变量等级 (NB, NM, NS, Z, PS, PM, PB) , 各个变量的模糊论域范围为:{E}={-6, -5, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6};{EC}={-6, -5, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6};{U}={-7, -6, -5, -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}。在模糊化的过程中, 本研究通过量化因子进行论域变换, e的量化因子Ke=6/60=0.1, ec的量化因子Kec=6/12=0.5。在清晰化的过程中, 笔者通过比例因子将模糊量转换为清晰量, u的比例因子Ku=0.7/7=0.1。对于模糊控制器而言, 温度偏差及其变化率都是精确输入量, 为了对确定的精确量进行模糊化, 必须把它们转换成模糊集合的隶属函数[7]。由于三角形函数计算较简单、性能较好, 输入/输出变量的隶属度函数都采用三角形分布。

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