CN104571208A - 基于pid算法的婴儿黄疸治疗箱恒温控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PID算法的婴儿黄疸治疗箱恒温控制方法，其包括依次循环的以下步骤：1)在处理器单元内设定温度值参数(r(t))；2)处理器单元将参数(r(t))解析并形成对加热装置的控制量；3)温度检测单元感应治疗箱内的实时温度，该实时温度作为参数(c(t))并被反馈至处理器单元，该处理器单元将输入参数(r(t))减去参数(c(t))得到温度差值参数(e(t))；4)处理器单元将温度差值参数(e(t))作为PID算法的补偿输入，计算出加热装置的二次控制量。本发明与现有技术相比，通过PID算法，其可以提高对温度控制的精度，同时形成对加热装置的有序使用，从而降低使用成本。

Description

基于PID算法的婴儿黄疸治疗箱恒温控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种婴儿黄疸治疗箱的恒温控制技术，具体涉及一种基于PID算法的婴儿黄疸治疗箱恒温控制方法及系统。

背景技术

婴儿黄疸治疗箱是一种通过特定波长的LED蓝绿光照射婴儿的体表的装置，使婴儿能有效的降低血清中未结合胆红素，达到治疗黄疸的效果。

为了确保婴儿在进行蓝绿光治疗的安全，必须要确保治疗箱保持恒温环境，而目前的婴儿黄疸治疗箱多是采用开环温度控制或者采用加热器及制冷器来保持治疗箱的恒温环境。采用开环温度控制恒温环境，由于开环不具备反馈功能，因此治疗箱内的温度是无法实时地进行检测和调整的，只能是依靠人工或者传感器去不断地检测，然后再进行调整，控制的精度方面显然是欠缺的，特别对于婴儿黄疸治疗箱这种对温度环境较为敏感的装置来讲，开环温度控制就显得不能适应和满足治疗箱的恒温要求。采用加热器及制冷器控制恒温环境，又由于未能形成对其的精确控制，加热器及制冷器的使用显得无章可循，因此反而增加了使用成本。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种可以提高控制精度、降低使用成本的基于PID算法的婴儿黄疸治疗箱恒温控制方法，同时还提供了一种采用该方法的基于PID算法的婴儿黄疸治疗箱恒温控制系统。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

基于PID算法的婴儿黄疸治疗箱恒温控制方法，其包括依次循环的以下步骤：

1)在处理器单元内设定温度值，该温度值作为输入参数(r(t))；

2)处理器单元将输入参数(r(t))解析并形成对加热装置的控制量，该加热装置根据该控制量启动并将治疗箱内的温度加热至温度值；

3)温度检测单元感应治疗箱内的实时温度，该实时温度作为参数(c(t))并被反馈至处理器单元，该处理器单元将输入参数(r(t))减去参数(c(t))得到温度差值参数(e(t))；

4)处理器单元将温度差值参数(e(t))作为PID算法的补偿输入，计算出加热装置的二次控制量，加热装置根据该二次控制量启动并将治疗箱内的温度加热至设定温度值。

由于婴儿黄疸治疗箱中的温度系统是一种非线性的、滞后的、时变系统，是一个复杂的大系统，很难建立系统的数学模型，黄疸治疗系统对温度湿度的控制精度要求较高，要求箱体内稳态温度误差不超过土0.5℃，机内各点温差不大于0.8℃。从低成本考虑，低复杂度考虑，采用常规的控制方法，而PID算法具有适应性强、可靠性高、鲁棒性好、控制性能优良，且控制简单、程序简洁、对硬件要求不高等优点。因此，本发明对婴儿黄疸治疗箱采用经典PID控制是非常合适的。

本发明的方法中，加热装置的输入由处理器单元采用PID控制算法，通过调节加热装置加热的控制量，来实现温度的恒温控制。当箱内温度未达到预置温度时，通过PID算法算出输入参数(r(t))和温度检测单元检测的实时温度的参数(c(t))之间的差值，得到温度差值参数(e(t))，处理器单元再根据该温度差值参数(e(t))控制加热装置增大加热量，使得箱内温度保持恒温，当箱内温度达到预置温度时，加热装置减小或停止加热，使得箱体内温度自然冷却降低即可，当再需要进行补充热量时，再次启动上述的PID算法过程即可。其中，处理器单元作为整个控制系统的核心，实现PID控制算法的解析，最终给出控制量u(k)，温度采集单元主要实现婴儿箱温度的实时采集，反馈给处理器单元，处理器单元接收到反馈信息后作差，作为PID控制算法的输入参数。

因此，本发明与现有技术相比，通过PID算法，其可以提高对温度控制的精度，同时形成对加热装置的有序使用，从而降低使用成本。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作如下改进：

作为优选的方案，上述的加热装置包括加热丝以及用于控制该加热丝的加热丝控制器，该加热丝控制器根据输入参数(r(t))和温度差值参数(e(t))来控制加热丝的通断时间，实现温度控制。

采用上述优选的方案，采用经典PID控制算法，被控对象为加热丝，通过加热的通断来实现婴儿黄疸治疗箱的恒温控制，加热丝控制器作为整个温控系统的执行机构，主要接收处理器的控制量，控制加热丝的通断时间，即控制加热丝通断的占空比，实现温度控制。

作为优选的方案，上述的加热丝控制器为继电器。

采用上述优选的方案，能够以继电器形式接收处理器单元的控制量并形成对加热丝通断时间的控制。

作为优选的方案，上述的温度检测单元为NTC电桥测温电路。

采用上述优选的方案，可以更为精准地测得参数(c(t))，从而进一步地提高对于恒温控制的精准性。

基于PID算法的婴儿黄疸治疗箱恒温控制系统，其包括温度检测单元、处理器单元和加热装置；

温度检测单元用于检测治疗箱的实时温度，该实时温度作为参数(c(t))并被反馈至处理器单元；

处理器单元用于设定输入参数(r(t))，并将该输入参数(r(t))解析并形成对加热装置的控制量；

处理器单元还用于将输入参数(r(t))减去参数(c(t))得到温度差值参数(e(t))，并将该温度差值参数(e(t))作为PID算法的补偿输入，计算出加热装置的二次控制量；

加热装置用于根据控制量和二次控制量启动并将治疗箱内的温度加热至设定温度值。

本发明的系统中，加热装置的输入由处理器单元采用PID控制算法，通过调节加热装置加热的控制量，来实现温度的恒温控制。当箱内温度未达到预置温度时，通过PID算法算出输入参数(r(t))和温度检测单元检测的实时温度的参数(c(t))之间的差值，得到温度差值参数(e(t))，处理器单元再根据该温度差值参数(e(t))控制加热装置增大加热量，使得箱内温度保持恒温，当箱内温度达到预置温度时，加热装置减小或停止加热，使得箱体内温度自然冷却降低即可，当再需要进行补充热量时，再次启动上述的PID算法过程即可。其中，处理器单元作为整个控制系统的核心，实现PID控制算法的解析，最终给出控制量u(k)，温度采集单元主要实现婴儿箱温度的实时采集，反馈给处理器单元，处理器单元接收到反馈信息后作差，作为PID控制算法的输入参数。

因此，本发明与现有技术相比，通过PID算法，其可以提高对温度控制的精度，同时形成对加热装置的有序使用，从而降低使用成本。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以作如下改进：

作为优选的方案，上述的加热装置包括加热丝以及用于控制该加热丝的加热丝控制器，该加热丝控制器根据输入参数(r(t))和温度差值参数(e(t))来控制加热丝的通断时间，实现温度控制。

采用上述优选的方案，采用经典PID控制算法，被控对象为加热丝，通过加热的通断来实现婴儿黄疸治疗箱的恒温控制，加热丝控制器作为整个温控系统的执行机构，主要接收处理器的控制量，控制加热丝的通断时间，即控制加热丝通断的占空比，实现温度控制。

作为优选的方案，上述的加热丝控制器为继电器。

采用上述优选的方案，能够以继电器形式接收处理器单元的控制量并形成对加热丝通断时间的控制。

作为优选的方案，上述的温度检测单元为NTC电桥测温电路。

采用上述优选的方案，可以更为精准地测得参数(c(t))，从而进一步地提高对于恒温控制的精准性。

附图说明

图1为本发明中所涉及的婴儿黄疸治疗箱的结构示意图。

图2为本发明中所涉及的婴儿黄疸治疗箱的内热循环原理图。

图3为本发明中所涉及的PID控制算法结构框图。

图4为本发明的基于PID算法的婴儿黄疸治疗箱恒温控制系统的结构框图。

图5为本发明的基于PID算法的婴儿黄疸治疗箱恒温控制方法的实施流程图。

图6为本发明中所涉及的NTC电桥测温电路的结构框图。

其中，1.恒温箱2.加热丝3.电控箱。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。

为了达到本发明的目的，如图1、2和5所示，在本发明的基于PID算法的婴儿黄疸治疗箱恒温控制方法的其中一些实施方式中，其应用于婴儿黄疸治疗箱，该治疗箱包括恒温箱1和电控箱3，并结合了热循环和PID控制算法，该方法包括依次循环的以下步骤：

1)：在处理器单元内设定温度值，例如设定35度，该温度值作为输入参数(r(t))，该处理器单元可以采用常见的单片机、工控机等；

2)：处理器单元将输入参数(r(t))解析并形成对加热装置的控制量，例如需要将目前温度从20度加热至35度，则形成提高15度的控制量，该加热装置根据该控制量启动并将治疗箱内的温度加热至温度值，该控制量具体可以是通过片内外设PWM发生器产生一定占空比的控制量来实现；

3)：温度检测单元感应治疗箱内的实时温度，例如此时实时温度为33度，该实时温度作为参数(c(t))并被反馈至处理器单元，该处理器单元将输入参数(r(t))减去参数(c(t))得到温度差值参数(e(t))，即e(t)＝r(t)-c(t)＝2度；

4)：处理器单元将温度差值参数(e(t))作为PID算法的补偿输入，计算值加热装置的二次控制量，则形成提高2度的控制量，加热装置根据该二次控制量启动并将治疗箱内的温度加热至温度值。

由于婴儿黄疸治疗箱中的温度系统是一种非线性的、滞后的、时变系统，是一个复杂的大系统，很难建立系统的数学模型，黄疸治疗系统对温度湿度的控制精度要求较高，要求箱体内稳态温度误差不超过土0.5℃，机内各点温差不大于0.8℃。从低成本考虑，低复杂度考虑，采用常规的控制方法，而PID算法具有适应性强、可靠性高、鲁棒性好、控制性能优良，且控制简单、程序简洁、对硬件要求不高等优点。因此，本发明对婴儿黄疸治疗箱采用经典PID控制是非常合适的。

本方法中，加热装置的输入由处理器单元采用PID控制算法，通过调节加热装置加热的控制量，来实现温度的恒温控制。当箱内温度未达到预置温度时，通过PID算法算出输入参数(r(t))和温度检测单元检测的实时温度的参数(c(t))之间的差值，得到温度差值参数(e(t))，处理器单元再根据该温度差值参数(e(t))控制加热装置增大加热量，使得箱内温度保持恒温，当箱内温度达到预置温度时，加热装置减小或停止加热，使得箱体内温度自然冷却降低即可，也可以采用电机驱动风扇转动来形成的热循环系统中热量减少，使箱内温度降低，由于治疗箱大多数时候是处于需要提高温度来保持恒温的情况，因此本发明主要围绕加热来叙述，当再需要进行补充热量时，再次启动上述的PID算法过程即可。其中，处理器单元作为整个控制系统的核心，实现PID控制算法的解析，最终给出控制量u(k)，温度采集单元主要实现婴儿箱温度的实时采集，反馈给处理器单元，处理器单元接收到反馈信息后作差，作为PID控制算法的输入参数。

因此，本方法与现有技术相比，通过PID算法，其可以提高对温度控制的精度，同时形成对加热装置的有序使用，从而降低使用成本。

为了进一步地优化本发明的实施效果，如图3所示，在本发明的基于PID算法的婴儿黄疸治疗箱恒温控制方法的另一些实施方式中，在上述内容的基础上，上述的加热装置包括加热丝以及用于控制该加热丝的加热丝控制器，该加热丝控制器根据输入参数(r(t))和温度差值参数(e(t))来控制加热丝的通断时间，实现温度控制。采用该实施方式的方案，采用经典PID控制算法，被控对象为加热丝，通过加热的通断来实现婴儿黄疸治疗箱的恒温控制，加热丝控制器作为整个温控系统的执行机构，主要接收处理器的控制量，控制加热丝的通断时间，即控制加热丝通断的占空比，实现温度控制。其中，PID控制器即为处理器单元，温度反馈模块即温度采集单元。

为了进一步地优化本发明的实施效果，如图3所示，在本发明的基于PID算法的婴儿黄疸治疗箱恒温控制方法的另一些实施方式中，在上述内容的基础上，上述的加热丝控制器为继电器。采用该实施方式的方案，能够以继电器形式接收处理器单元的控制量并形成对加热丝通断时间的控制。通过片内外设PWM发生器产生一定占空比的控制量来关断继电器，实现加热丝温度的精确控制。

为了进一步地优化本发明的实施效果，如图6所示，在本发明的基于PID算法的婴儿黄疸治疗箱恒温控制方法的另一些实施方式中，在上述内容的基础上，上述的温度检测单元为NTC电桥测温电路。采用该实施方式的方案，可以更为精准地测得参数(c(t))，从而进一步地提高对于恒温控制的精准性。除了采用NTC电桥测温电路，我们也可以采用普通的温度传感器来检测温度值。

为了达到本发明的目的，如图4所示，在本发明的基于PID算法的婴儿黄疸治疗箱恒温控制系统的其中一些实施方式中，其应用于婴儿黄疸治疗箱，依托于上述的方法，该系统包括温度检测单元、处理器单元和加热装置；温度检测单元用于检测治疗箱的实时温度，该实时温度作为参数(c(t))并被反馈至处理器单元；处理器单元用于设定输入参数(r(t))，并将该输入参数(r(t))解析并形成对加热装置的控制量；处理器单元还用于将输入参数(r(t))减去参数(c(t))得到温度差值参数(e(t))，并将该温度差值参数(e(t))作为PID算法的补偿输入，计算值加热装置的二次控制量；加热装置用于根据控制量和二次控制量启动并将治疗箱内的温度加热至温度值。

本系统中，加热装置的输入由处理器单元采用PID控制算法，通过调节加热装置加热的控制量，来实现温度的恒温控制。当箱内温度未达到预置温度时，通过PID算法算出输入参数(r(t))和温度检测单元检测的实时温度的参数(c(t))之间的差值，得到温度差值参数(e(t))，处理器单元再根据该温度差值参数(e(t))控制加热装置增大加热量，使得箱内温度保持恒温，当箱内温度达到预置温度时，加热装置减小或停止加热，使得箱体内温度自然冷却降低即可，当再需要进行补充热量时，再次启动上述的PID算法过程即可。其中，处理器单元作为整个控制系统的核心，实现PID控制算法的解析，最终给出控制量u(k)，温度采集单元主要实现婴儿箱温度的实时采集，反馈给处理器单元，处理器单元接收到反馈信息后作差，作为PID控制算法的输入参数。

因此，本系统与现有技术相比，通过PID算法，其可以提高对温度控制的精度，同时形成对加热装置的有序使用，从而降低使用成本。

为了进一步地优化本发明的实施效果，如图3所示，在本发明的基于PID算法的婴儿黄疸治疗箱恒温控制系统的另一些实施方式中，在上述内容的基础上，上述的加热装置包括加热丝以及用于控制该加热丝的加热丝控制器，该加热丝控制器根据输入参数(r(t))和温度差值参数(e(t))来控制加热丝的通断时间，实现温度控制。采用该实施方式的方案，采用经典PID控制算法，被控对象为加热丝，通过加热的通断来实现婴儿黄疸治疗箱的恒温控制，加热丝控制器作为整个温控系统的执行机构，主要接收处理器的控制量，控制加热丝的通断时间，即控制加热丝通断的占空比，实现温度控制。其中，PID控制器即为处理器单元，温度反馈模块即温度采集单元。

为了进一步地优化本发明的实施效果，如图3所示，在本发明的基于PID算法的婴儿黄疸治疗箱恒温控制系统的另一些实施方式中，在上述内容的基础上，上述的加热丝控制器为继电器。采用该实施方式的方案，能够以继电器形式接收处理器单元的控制量并形成对加热丝通断时间的控制。通过片内外设PWM发生器产生一定占空比的控制量来关断继电器，实现加热丝温度的精确控制。

为了进一步地优化本发明的实施效果，如图6所示，在本发明的基于PID算法的婴儿黄疸治疗箱恒温控制系统的另一些实施方式中，在上述内容的基础上，上述的温度检测单元为NTC电桥测温电路。采用该实施方式的方案，可以更为精准地测得参数(c(t))，从而进一步地提高对于恒温控制的精准性。除了采用NTC电桥测温电路，我们也可以采用普通的温度传感器来检测温度值。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于PID算法的婴儿黄疸治疗箱恒温控制方法，其特征在于，包括依次循环的以下步骤：

1)在处理器单元内设定温度值，所述温度值作为输入参数(r(t))；

2)所述处理器单元将所述输入参数(r(t))解析并形成对加热装置的控制量，所述加热装置根据所述控制量启动并将治疗箱内的温度加热至所述温度值；

3)温度检测单元感应所述治疗箱内的实时温度，所述实时温度作为参数(c(t))并被反馈至所述处理器单元，所述处理器单元将所述输入参数(r(t))减去所述参数(c(t))得到温度差值参数(e(t))；

4)所述处理器单元将所述温度差值参数(e(t))作为PID算法的补偿输入，计算值所述加热装置的二次控制量，所述加热装置根据所述二次控制量启动并将治疗箱内的温度加热至所述温度值。

2.根据权利要求1所述的基于PID算法的婴儿黄疸治疗箱恒温控制方法，其特征在于，所述加热装置包括加热丝以及用于控制所述加热丝的加热丝控制器，所述加热丝控制器根据所述输入参数(r(t))和所述温度差值参数(e(t))来控制所述加热丝的通断时间，实现温度控制。

3.根据权利要求2所述的基于PID算法的婴儿黄疸治疗箱恒温控制方法，其特征在于，所述加热丝控制器为继电器。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于PID算法的婴儿黄疸治疗箱恒温控制方法，其特征在于，所述温度检测单元为NTC电桥测温电路。

5.基于PID算法的婴儿黄疸治疗箱恒温控制系统，其特征在于，包括温度检测单元、处理器单元和加热装置；

所述温度检测单元用于检测治疗箱的实时温度，所述实时温度作为参数(c(t))并被反馈至所述处理器单元；

所述处理器单元用于设定输入参数(r(t))，并将所述输入参数(r(t))解析并形成对所述加热装置的控制量；

所述处理器单元还用于将所述输入参数(r(t))减去所述参数(c(t))得到温度差值参数(e(t))，并将所述温度差值参数(e(t))作为PID算法的补偿输入，计算值所述加热装置的二次控制量；

所述加热装置用于根据所述控制量和所述二次控制量启动并将治疗箱内的温度加热至所述温度值。

6.根据权利要求5所述的基于PID算法的婴儿黄疸治疗箱恒温控制系统，其特征在于，所述加热装置包括加热丝以及用于控制所述加热丝的加热丝控制器，所述加热丝控制器根据所述输入参数(r(t))和所述温度差值参数(e(t))来控制所述加热丝的通断时间，实现温度控制。

7.根据权利要求6所述的基于PID算法的婴儿黄疸治疗箱恒温控制系统，其特征在于，所述加热丝控制器为继电器。

8.根据权利要求5-7任一所述的基于PID算法的婴儿黄疸治疗箱恒温控制系统，其特征在于，所述温度检测单元为NTC电桥测温电路。