CN109116882B - 一种用于医用恒温箱的IMC-Dahlin温度调节器及方法 - Google Patents

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Abstract

一种针对医用恒温箱的IMC‑Dahlin双闭环温度调节器，包括与医用恒温箱对象连接的温度传感器、温控继电器、数据转换模块及IMC‑Dahlin双闭环温度调节器。所述的IMC‑Dahlin双闭环温度调节器包括：数据转换模块、继电反馈模型辨识模块、IMC‑Dahlin双闭环控制器模块，以及提供了一种针对医用恒温箱的基于继电反馈模型辨识的IMC‑Dahlin双闭环温度调节方法。

Description

一种用于医用恒温箱的IMC-Dahlin温度调节器及方法
技术领域
本发明涉及嵌入式控制器开发领域，是一种针对医用恒温箱温度控制的温度调节器及方法。
背景技术
医用恒温箱主要用于药品、试剂的保温储存以及加温，是一种应用广泛的医疗设备。由于医用恒温箱温度检测存在一定的滞后性，再加上恒温箱温度调节时间常数比较大且具有时变特性，因此恒温箱的温度控制是一个比较复杂的控制问题。
现代控制理论是基于模型的控制策略，针对复杂对象机理建模困难的特点，通常采用系统辨识的方法来得到控制对象模型。由于医用恒温箱的温度控制对象具有大滞后，大时间常数的特性，传统的基于阶跃输入信号的开环辨识方法(Barton G.Processcontrol:Designing processes and control systems for dynamic performance:byThomas E.Marlin(McGraw-Hill,New York,1995,ISBN 0-07-040491-7,pp 954+xxii)[J].Journal of Process Control,1996,6:263，Astrom K J.PID Controllers:Theory,Design and Tuning[J].Instrument Society of America,1995.)由于稳定时间长，难以现场实时应用。本发明中采用了Astrom提出的继电反馈闭环辨识法(By K J.Astrom andHagglund,"Automatic tuning of simple regulators with specifications on phaseand amplitude margins[J].Automatica,1984,20(5):645-651.)用于快速辨识医用恒温箱的温度控制对象模型。
对于大时滞系统的控制，SMITH预估器是经典解决方法之一(Lee T H,Wang Q G,Tan K K.Robust Smith‐predictor controller for uncertain delay systems AIChEJournal,1996,42(4):1033-1040，Santacesaria C,Scattolini R.Easy tuning of Smithpredictor in presence of delay uncertainty[J].Automatica,1993,29(6):1595-1597.Yamanaka K,Shimemura E.Effects of mismatched Smith controller onstability in systems with time-delay[J].Automatica,1987,23(6):787-791.)。但SMITH预估器的控制性能受模型失配的影响严重。Dahlin控制算法是解决大时滞系统的另一种有效方法(Zafiriou E,Morari M.Digital controllers for SISO systems:areview and a new algorithm[J].International Journal of Control,1985,42(4):855-876.Zhang W D,Sun Y X,Xu X M.Robust digital controller design forprocesses with dead times:New results[C]//Control Theory and Applications,IEEProceedings-.IET,1998,145(2):159-164.)，但是Dahlin控制算法存在两个问题：(1)控制回路中容易引入振铃现象；(2)不可以应用于不稳定对象。
发明内容
针对医用恒温箱温度控制这类大时间常数、大滞后时间及时变参数控制问题，本发明提供了一种基于继电反馈辨识模型的IMC-Dahlin温度调节器及方法，其关键点在于：采用继电反馈辨识法快速辨识医用恒温箱温控对象模型，在温控对象模型的基础上设计内环Dahlin控制器，镇定临界稳定对象，对内环广义对象在外环设计IMC控制器，利用线性二次调节器(LQR)原则优化IMC-Dahlin控制器参数，消除Dahlin控制器的振铃现象，提高温度调节器的鲁棒跟踪控制性能。
本发明所采用的技术方案是：
一种针对医用恒温箱的基于继电反馈辨识模型的IMC-Dahlin温度调节器及方法，所述的医用恒温箱指用于药品、试剂储存、运输以及疫苗、血液冷藏保温，透析液加温，生理盐水加温的可控温医用设备，所述的基于继电反馈辨识模型的IMC-Dahlin温度调节器包括：
(1)数据转换模块，用于将检测到的温度传感器模拟信号转换成数字信号；
(2)继电反馈模型辨识模块，用于对医用恒温箱温控对象进行模型辨识；
(3)IMC-Dahlin温度控制模块，用于实现基于继电反馈辨识模型的内环镇定加外环伺服踪控制的双闭环温度控制模块。
一种所述的针对医用恒温箱的基于继电反馈辨识模型的IMC-Dahlin温度调节器及方法包括以下步骤：
1.利用温度控制器的继电反馈模型辨识模块，辨识出如式(1)所示的单变量时滞过程的FOPDT(First Order Plus Dead Time)传递函数模型
Figure BDA0001330351570000021
其中kp,T,τ为模型参数。
2.根据医用恒温箱一类对象特征，(1)式可近似为一个积分加滞后对象：
Figure BDA0001330351570000022
其中
Figure BDA0001330351570000023
以式(2)为模型，设计内环Dahlin镇定器，GDahlin是Dahlin控制器，希望得到的闭环传递函数是
Figure BDA0001330351570000024
其中λ1是Dahlin控制器参数，由式(2)、(3)及闭环控制特性可得
Figure BDA0001330351570000031
从式(4)中可以看出Dahlin控制器中含有一个不稳定零点，当λ1→0时，控制器输出会产生振铃现象。为了满足控制器抗振铃现象，设定值的快速跟踪，以及系统的鲁棒性，本发明设计了一个以Dahlin控制器做镇定，IMC控制器做设定值跟踪的IMC-Dahlin的控制方法。
3.外环IMC伺服控制器针对内环广义对象进行设计，其步骤如下：
1)将内环广义对象模型进行如下分解
Figure BDA0001330351570000032
其中
Figure BDA0001330351570000033
是广义内环对象模型，实际应用中以式(3)近似。
Figure BDA0001330351570000034
是内环对象中的最小相位子系统，
Figure BDA0001330351570000035
是内环对象中的非最小相位子系统包括不稳定零点，滞后部分；
2)定义IMC伺服控制器为
Figure BDA0001330351570000036
其中
Figure BDA0001330351570000037
是一个低阶滤波器，引入F(s)滤波器的目的是使得IMC控制器物理可实现，λ2是一个可调参数，n选择为使外环等价反馈控制器GC(s)如(7)式所示正则。
Figure BDA0001330351570000038
4.IMC-Dahlin控制器参数的优化
以式(8)所示的线性二次调节器(LQR)为目标，优化IMC-Dahlin控制器参数λ1，λ2，
Figure BDA0001330351570000039
其中Qi，Ri,i＝1,2分别为控制偏差及控制器加权系数，u1，y1分别为内环Dahlin控制器的输出和闭环控制的输出，u2，y2分别为外环IMC控制器的输出和闭环控制的输出。由式(3)及一阶泰勒展开可得内环的闭环输出时域表达为：
Figure BDA0001330351570000041
由式(4)及一阶泰勒展开可得内环的控制器输出时域表达为：
Figure BDA0001330351570000042
由(8)，(9)，(10)可得
Figure BDA0001330351570000043
令
Figure BDA0001330351570000044
有：
Q1(2k2λ1 2-2k2τ2)-R1＝0 (12)
则
Figure BDA0001330351570000046
对外环，类似可得λ2由下式计算：
Figure BDA0001330351570000047
本发明的技术构思：针对大时间常数、大滞后时间的医用恒温箱温控对象，将其近似为一个积分加滞后对象，通过内环Dahlin控制器镇定临界稳定对象，外环设计IMC控制器，满足设定值的快速跟踪要求，通过线性二次调节器设计原则，优化Dahlin控制器和IMC控制器参数。
本发明的效果主要表现在：针对医用恒温箱等这类大时间常数、大滞后对象，基于嵌入式开发一种基于继电反馈辨识对象模型的双闭环IMC-Dahlin温度调节器及控制方法，实现了在医用恒温箱温度调节过程中克服扰动并快速跟踪设定值的目的。
附图说明
图1是基于嵌入式开发的基于继电反馈模型辨识的医用恒温箱的IMC-Dahlin双闭环控制结构图。其中包括控制对象医用恒温箱，固态温控继电器，温度传感器，以及温度控制器模块，温控器模块中包含了数据采集和转换模块以及单片机开发板，可以用来编写继电反馈辨识程序和控制程序。
图2是继电反馈辨识程序和IMC-Dahlin的控制结构图。可以实现继电辨识和控制程序的相互切换，实现先辨识对象模型后设计控制器的形式，也可以在控制品质变差的时候再次辨识对象，重新整定控制器参数的作用。
图3是Dahlin控制器闭环结构图。可以对积分加滞后的临界稳定对象进行镇定。
图4是内模控制的结构图。设计该控制器实现对设定值的快速跟踪。
图5是IMC转反馈控制的结构图，该设计是使得内模控制的结构更加简单，使得IMC控制器易于实现。
图6是IMC-Dahlin控制器的双闭环结构图。
图7是IMC-Dahlin控制器和IMC控制器分别对医用恒温箱控制的结果对比曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。本发明实例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
实施例1
应用的对象是一个医用恒温箱，其滞后时间和时间常数都比较大。通过继电反馈辨识方法，辨识得到对象传递函数是：
Figure BDA0001330351570000051
IMC-Dahlin控制模块。用于对以上大时间常数加滞后系统的控制，优化计算出合适的加热功率，使医用恒温箱的温度达到设定的温度值。
使用本发明后，对医用恒温箱温度控制曲线如附图7所示。使用该方法后温度控制效果明显比IMC方法超调减小，稳定时间缩短，使用IMC-Dahlin和使用IMC的均方根误差如下表所示。
Figure BDA0001330351570000061

Claims (4)

1.一种针对医用恒温箱的基于继电反馈辨识模型的IMC-Dahlin温度调节器的温度控制方法，所述的医用恒温箱指用于药品、试剂储存、运输以及疫苗、血液冷藏保温，透析液加温，生理盐水加温的可控温医用设备，所述的基于继电反馈辨识模型的IMC-Dahlin温度调节器包括：
(1)数据转换模块，用于将检测到的温度传感器模拟信号转换成数字信号；
(2)继电反馈模型辨识模块，用于对医用恒温箱温控对象进行模型辨识；
(3)IMC-Dahlin温度控制模块，用于实现基于继电反馈辨识模型的内环镇定加外环伺服踪控制的双闭环温度控制模块；
IMC-Dahlin温度控制方法包括以下步骤：
(1)利用温度控制器的继电反馈模型辨识模块，辨识出如式(1)所示的单变量时滞过程的FOPDT(First Order Plus Dead Time)传递函数模型
Figure FDA0003060604310000011
其中kp,T,τ为模型参数；
(2)根据医用恒温箱一类对象特征，(1)式可近似为一个积分加滞后对象：
Figure FDA0003060604310000012
其中
Figure FDA0003060604310000013
以式(2)为模型，设计内环Dahlin镇定器；
(3)以Dahlin镇定器所在回路的闭环传递函数为对象，设计外环IMC伺服控制器；
(4)根据线性二次调节器(LQR)原则，优化计算IMC-Dahlin双闭环控制器参数。
2.如权利要求1所述的针对医用恒温箱的基于继电反馈辨识模型的IMC-Dahlin温度调节器的温度控制方法，其特征在于：所述的内环Dahlin镇定器的具体参数如下：
GDahlin是内环Dahlin镇定器的传递函数，希望得到的内环闭环传递函数是
Figure FDA0003060604310000014
其中λ1是一个可调参数，则有：
Figure FDA0003060604310000015
3.如权利要求2所述的针对医用恒温箱的基于继电反馈辨识模型的IMC-Dahlin温度调节器的温度控制方法，所述的外环IMC伺服控制器针对内环广义对象进行设计，其步骤如下：
1)将内环广义对象模型进行如下分解
Figure FDA0003060604310000021
其中
Figure FDA0003060604310000022
是广义内环对象模型，
Figure FDA0003060604310000023
是内环对象中的最小相位子系统，
Figure FDA0003060604310000024
是内环对象中的非最小相位子系统包括不稳定零点，滞后部分；
2)定义IMC伺服控制器为
Figure FDA0003060604310000025
其中
Figure FDA0003060604310000026
是一个低阶滤波器，引入F(s)滤波器的目的是使得IMC控制器物理可实现，n选择为使GC(s)正则，λ2是一个可调参数。
4.如权利要求1所述的针对医用恒温箱的基于继电反馈辨识模型的IMC-Dahlin温度调节器的温度控制方法，其特征在于：所述优化计算IMC-Dahlin双闭环控制器参数为：
以式(7)所示的线性二次调节器(LQR)为目标，优化IMC-Dahlin控制器参数λ1，λ2，
Figure FDA0003060604310000027
其中Qi，Ri,i＝1,2分别为控制偏差及控制器加权系数，u1，y1分别为内环Dahlin控制器的输出和闭环控制的输出，u2，y2分别为外环IMC控制器的输出和闭环控制的输出，IMC-Dahlin控制器参数λ1，λ2由下式计算：
Figure FDA0003060604310000028
Figure FDA0003060604310000029
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