引言

嬰兒培養箱主要應用于早產兒、低體重兒、病危兒或發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。由于此類嬰兒的特殊性，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。現今市場上的嬰兒培養箱大多采用傳統的PID算法。常規PID算法是過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、魯棒性好等優點。但其對時變非線性系統來說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，系統的動靜態特性得到進一步改善。

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對培養箱溫度實施伺服控制，開機即可自動進入箱溫控制狀態。溫度控制監測儀是儀器的核心部件，具有溫度設置，實時溫度監測等功能。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始加熱，箱內溫度會持續降低一段時間，當加熱停止時，溫度并不會馬上停止上升而是上升一段時間后才停止。因此，嬰兒培養箱內的溫度一直在上下波動。采用模糊自適應PID控制可以較好的解決此類問題，微分控制分量可以改善系統的動態特性，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單線傳入單片機I/O口，與傳統的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度，并且可根據實際要求通過編程實現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過模糊自適應PID運算后，輸出控制信號給光耦離合器，以實現輸入信號和輸出信號的隔離，減少干擾，和實現信號的放大。放大后的信號用于控制可控硅，從而實現對加熱絲工作與否的控制。通過鍵盤和液晶顯示分別實現對溫度值進行標定，定時顯示溫度值，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，運用模糊推理實現PID參數的自動調整。

自適應模糊PID控制器以誤差E和誤差變化Ec作為輸入，可以滿足不同時刻偏差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對PID參數進行修改，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語言值的模糊子集為{負，負中， 負小， 零， 正小， 正中， 正大}， 并簡記為{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，根據實驗經驗總結得到KP、KI和KD的控制規則表，見表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 實驗結果

為提高加溫系統的安全性，一般采取較小功率長時間加溫的方法。在環境溫度為26℃，環境濕度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℃時的效果，在一個周期內使用模糊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。結果曲線對比如圖5所示：

5結論

采用模糊 PID控制嬰兒培養箱的箱溫，在控制過程中模糊 PID 控制器根據系統的實際狀態實時調整 PID參數。從實驗結果可以看出，采用模糊PID控制的嬰兒培養箱，可以使系統的過渡時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。