温湿度控制系统是恒温恒湿培养箱的核心, 其控制水平高低是培养箱的主要性能指标。本文提出了采用Fuzzy-PID控制器并行工作策略和PID控制算法分别对培养箱温度和湿度进行控制, 同时具体给出了控制系统整体软件设计思路及各环节主要硬件组成, 最终控制系统能满足预期设定温湿度控制预期指标要求。

体外培养技术是科研工作的重要手段, 被医疗等多种学科所利用, 培养箱是主要的使用设备。人工体外培养需通过控制一定的温度、湿度、气体浓度等指标人工制造微生物、细胞和细菌生长繁殖的接近活体实际生存环境。培养箱的温湿度是最基本的指标, 温湿度控制系统是培养箱的核心, 其控制水平的高低是关系到培养箱性能的主要指标。由于恒温恒湿试验箱控制系统是一个具有多变量、非线性、大时滞、强耦合的系统, 常规的控制方法对这种复杂系统的实时有效控制存在很大困难。本设计对温度控制采取Fuzzy-PID控制器并行工作的策略, 湿度控制采取传统的PID控制算法, 以提高培养箱控制系统的性能及质量。

1 FUZZY-PID控制

PID控制适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统, 具有结构简单, 稳定性好, 可靠性高等特点。PID控制的关键是PID参数的整定。在实际的应用中, 由于被控对象或过程机理复杂, 具有非线性, 时变不确定性和纯滞后性;在噪声, 负载干扰等影响下, 过程参数随时间以及工作环境的变化而变化, 此时PID控制效果不理想。以误差和误差变化率作为输入变量的二维模糊控制具有比例、微分控制作用, 但缺少积分控制作用, 控制系统达到稳态时误差大。将PID控制引入到模糊控制器中, 将模糊控制与PID控制结合, 构成FUZZY-PID复合控制器, 就可扬长避短, 既具有模糊控制的灵活、适应性强特点, 又具有PID控制精度高特点, 使系统具有较快的动态响应, 较高的稳态精度。

恒温恒湿培养箱为双输入双输出系统, 培养箱要求对温度信号进行高精度控制。传统PID控制器在工作点附近有理想线性特性, 模糊控制方法无须建立被控对象数学模型, 在偏离工作点的区域可改善控制的动态性能, 同时对噪声也有较强的抑制能力, 鲁棒性较好的特性。对温度采取Fuzzy--PID控制并行工作的策略, 湿度控制采取传统的PID控制算法, 温度、湿度独立控制。

2 系统整体设计

恒温恒湿培养箱提供体外的培养环境主要由温度、湿度两个指标衡量, 属于多输入控制系统的集合体。整体设计可划分为恒温控制与恒湿控制两大核心控制系统和按键、显示、声光报警和数据存储下载辅助系统。恒温系统完成温度的闭环控制, 其工作过程可概括为:MCU系统按控制算法对采集的温度数据进行处理, 输出的控制量传送到驱动电路, 从而控制起加热功能的电热器的通断、以及压缩机和风扇的启停, 使温度达到目标值, 实现对箱体温度的控制, 因此系统包含传感器检测、信号处理、MCU控制、人机交互系统和电源等功能模块。恒湿系统完成湿度恒定的功能, 与恒温系统工作过程类似。MCU系统按照一定的控制算法对湿度信息处理, 控制输出量传送到驱动电路, 在空气自然交换的基础上控制雾化器的工作, 使湿度达到设定值, 实现对箱体湿度的控制。

3 系统硬件设计

单片机控制单元:参照单片机性价比, 选用8位单片机。

温度检测单元:由于集成温度传感器抗干扰能力强, 温度与输出电流线性关系好, 响应速度快, 信号调理电路容易实现因此本设计采用集成温度传感器。

湿度检测单元:湿度检测采用数字式传感器。

驱动控制单元:驱动控制单元采用可控硅实现被控对象的启停控制。可控硅是无触点开关, 可快速接通、切断电路, 功率大、体积小、效率高、稳定性好、工作可靠。

控制执行单元:控制执行单元包括电热管、压缩机、雾化器等。人机交互单元:人机交互单元包括键盘、液晶显示、发光二极管、蜂鸣器等。

电源电路:系统采用220V交流电源供电, 通过直流稳压电源电路为各功能单元提供直流稳压, 包括变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路四部分。为了防范交流供电系统突然断电, 提高恒温恒湿培养箱的可靠性, 配备了8节2400m Ah Ni MH电池串联组成的后备电源。

4 系统软件设计

温、湿度控制系统软件设计的思路为:单片机上电复位后, 对系统进行自检与初始化。系统初始化包括的模块有:输入/输出口、RAM中的变量、堆栈、定时器、中断、显示、ADC等。初始化完成后进入主程序, 主程序是执行调度功能的循环体, 各功能模块以子程序形式存储由主程序调用相互独立调试方便。主程序是软件设计的核心, 所有子程序的工作状态由主程序管理。主程序判断各个状态的入口条件, 条件成立就转向子程序的运行, 子程序处理完对应