基于Arduino的体外授精取卵装置系统的研发
来源： 作者： 发布时间：2016-08-13 07:42:31 浏览量：
2 系统PID控制原理
PID控制[7]是自动控制发展历程中生命力最强的基本控制方式，其根据系统的误差，利用误差的比例、积分、微分三个环节的不同组合计算出控制量，在数字系统中，主要有如下两种PID控制器的数字形式：
其中，式(1)、式(2)分别为PID控制的位色码电感器置式和增量式，u(k)为控制器输出量，e(k)=r(k)-y(k)为设定值r(k)与被控对象实际测量值y(k)构成的控制偏差信号，KP、KI和KD分别为比例、积分和微分系数。由于增量式具有抗积分饱和功能，且输出表示为Δu(k)形式，可以直接被某些控制单元使用，所以实际应用中多采用PID的增量形式。
当对具有非线性、大滞后、时变的复杂系统进行控制时，常规PID控制器往往存在超调大、调节时间长、参数固定等问题，由此本文采用自整定模糊PID[8]实现在线整定参数功能，从而保证控制效果。图3所示为自整定模糊PID控制的一种实现方法。先将误差e和误差变化率ec变化范围及PID参数的自调整量ΔKP、ΔKI和ΔKD均模糊化到模糊子集，得到控制规则表，在系统运行中控制器以误差和误差变化率作为输入，通过控制规则表进行模糊化和模糊推理，然后用加权平均法进行去模糊化，得出PID参数的自调整量，加上各参数的初始值获得最终三个控制系数，最后采用增量式对被控对象进行控制。
3 系统软件控制流程
本控制系统程序采用模块化设计，主要包括系统的主程序、初始化模块、采样模块、温度控制模块、气压控制模块、液晶显示模块、模糊PID控制算法模块等。图4、图5分别为温度和气压控制模块的程序流程图。其中温度控制模块采用模糊PID与常规PID相结合的算法，且在误差较大时采用全功率加热或零输出以便快速达到设定值；气压控制模块起始阶段采用线性递增方式达到设定值，可以减轻因突然高负压对患者造成的疼痛感。
4 系统性能测试
为验证取卵装置在实际应用中的温控效果，恒温试管架的控制温度设定为36.9 ℃，以保证抽取出卵母细胞的成活率，采样频率设为5 s，同时在控制过程中间加入风扇作用，用以模拟外界干扰因素。由Arduino IDE调试软件的串口监视器[9]获得的温度变化曲线如图6、图7所示。图6为系统从起始到结束的温度控制曲线图，图7为系统在设定值处的温度稳定波动图。
从图6中可以看出，试管架温度平稳上升且时间快，超调量较小，温度控制系统的控制效果明显，具有良好的动态品质。从图7中可以明显看出在控制系统稳定工作后，以设定值36.9 ℃为标准，温度的浮动范围为±0.1 ℃，具有较高的控制精度，为增加细胞的存活率提供了保障。如图7曲线中后段所示，当外界存在干扰时，温度先偏离设定温度值，而后又逐渐向设定温度值靠拢，最终达到原先的稳定状态，体现了本控制系统的稳定性及较强的抗干扰能力，满足了项目的控制需求。
鉴于装置还处在试验阶段，气压控制实验以水为抽取对象。图8给出了当设定气压值为25mmHg、采样间隔为200 ms时的负压动态曲线图。从图中可以看出，装置负压值从系统工作后缓慢增加到设定值，而后趋于动大电流电感态平稳，其气压波动范围为±5mmHg，有较强的稳定性，满足负压精度范围。同样，如图9所示，当设定气压值为105mmHg时，动态负压控制效果较好。经实验测试，当系统以最大功率工作（即按下紧急开关时），测得最大负压值可达580mmHg，基本达到了最初的设计目标。
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