医用恒温箱的温度控制器开发与优化

发布时间：2020-11-15 03:33

　　 医用恒温箱用于药品和试剂的加温、保温,其质量指标之一是箱内温度的动态特性。医用恒温箱的温度模型往往带有一定的滞后性,由于模型的时间常数较大,因此具有大惯性的特性。此外,其对象特性还具有一定的时变性、非线性。根据恒温箱种类的不同,不同的恒温箱带有的不确定性不同。使用常见的控制器难以实现对这种复杂的对象很好地进行控制,难以确保温度的良好动态特性。为了更好地控制医用恒温箱的温度对象,实现对其温度的精确控制,保证其储存的药品试剂的质量,有必要对其温度控制器进行开发与优化。医用恒温箱温度控制器的开发与优化主要从辨识对象模型、根据模型设计控制器以及对所设计的控制器参数进行优化三个方面入手。在辨识模型方面,本文使用改进的含有偏置的继电反馈辨识法得到医用恒温箱的传递函数模型。本文对传统的继电反馈辨识法的优劣点进行了讨论,通过机理分析和公式推导得到了改进的继电反馈辨识法公式,在医用恒温箱上进行实验验证,证明了该方法辨识结果准确、过程快速、方法简便易实现等特点。在控制器的设计方面,本文针对模型准确度不同的情况,分别设计使用无辨识自适应控制器和IMC-Dahlin控制器进行控制。无辨识自适应控制不需要被控对象精确的数学模型,对非线性对象、时变对象和辨识模型较不准确的对象仍然可以保证较好的控制性能。IMC-Dahlin控制器的控制性能较无辨识自适应控制好,对模型的准确度要求略高,对模型辨识较准确、非线性不是很严重的大惯性对象可以取得较好的控制质量。根据实际情况选用控制器,可以更加准确、可靠地对医用恒温箱的温度对象进行控制。在优化控制器参数方面,本文对无辨识自适应控制器及IMC-Dahlin控制器的参数优化规则进行了研究。然后根据鲁棒控制器设计原理,分别对无辨识自适应控制器及IMC-Dahlin控制器的控制律进行分析和推导,把控制器最优参数的优化求解问题最终归结为几个线性矩阵不等式(LMI)的求解问题,最终通过求解LMI计算出一组最优的参数。本文推导出了一种改进的继电反馈辨识法公式,通过进行仿真以及在恒温箱上进行实验,结果证明了本改进的继电反馈辨识法的可行性与可靠性。在计算出被控对象传递函数模型之后,又针对不同的应用情况,分别设计无辨识自适应控制器和IMC-Dahlin控制器,从原理和实现方法上对二者进行了详细的论述。在进行了控制器设计之后,本文分别推导提出了上述的控制器的参数优化方法。最终实现了在嵌入式系统控制器上的控制程序,并在现有实验设备上进行实验,结合仿真的结果,证明了模型辨识方法、控制器设计法、控制器参数整定法的可行性和可靠性,得到了可以自动实现模型辨识、控制性能良好的两种嵌入式控制器,根据实际情况选择不同的控制器,可以实现在医用、工业等领域对大惯性、含有不确定性的对象进行有效控制。
【学位单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH77
【部分图文】：

北京化工大学硕士学位论文???根据实验数据，测得Ａ＝５２２．６，次＝４乃．７，?７；?＝３９２．６，使用以上数据按照２．３节??的改进的含有偏置的继电反馈辨识法进行模型计算，得到的模型为：??ＧＪｓ）＝?８－５５９?ｅ－１００３５２１??（２－５６）??２?１５３６ｓ＋ｌ??由仿真结果可以看到，模型辨识的结果与真实结果是十分相近的，辨识出来的模??型可以反映真实的模型。为了与本方法形成对比，使用文［４９］所提出的含有偏置的继??电反馈辨识法对相同模型进行计算，计算得到：尺＝－０．００２，７１?＝?－２５６７．９，??ｒ?＝?－１３８３３－８０６７．２ｉ，这显然是不正确的。??实际应用中，测量噪声是不可避免的，下面的仿真中，加入方差为１的白噪声，??于模拟真实情况下的测量噪声。继电反馈辨识的系统输出如图２－７所示，白噪声的??形图如图２－８所示。??????????????

图２－８方差为ｌ的白噪声??Ｆｉｇ．２－８?Ｗｈｉｔｅ?ｎｏｉｓｅ?ｗｉｔｈ?ｖａｒｉａｎｃｅ?ｏｆ?ｌ??２０??

实验使用“Ｒｅｎｅｓａｓ”的Ｒ５Ｆ２１２Ｂ８作为控制器，它是一款１６位的微控制单元??Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ?Ｕｎｉｔ?（ＭＣＵ）。它具有低功耗、大存储容量、高集成密度等优点。实物??如图２－９所示。??ｍｉ???＿＿??图２－９嵌入式系统控制器??Ｆｉｇ．２－９?Ｅｍｂｅｄｄｅｄ?ｓｙｓｔｅｍ?ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ??嵌入式控制器与外界进行数据交换是通过专用的连接板进行的。它以ＵＳＢ的连??２１??
【参考文献】

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1 陈世和;王贤平;张曦;李晓枫;王亚刚;;继电反馈辨识算法研究及其软件实现[J];信息技术;2014年07期

2 张金龙;漆汉宏;;繁殖型PSO算法在电池模型辨识中的应用[J];电工电能新技术;2014年05期

3 席裕庚;李德伟;林姝;;模型预测控制——现状与挑战[J];自动化学报;2013年03期

4 赵盼;王少萍;;基于ODE参数辨识的液压伺服系统灰箱建模[J];航空学报;2013年01期

5 曹琦;何善君;林苗俏;马庆文;林天勤;;烟草制丝加料加香过程的无辨识自适应控制方案[J];烟草科技;2012年04期

6 赵众;高培;李海霞;;基于LMI的鲁棒PID控制器设计及工业应用[J];化工自动化及仪表;2011年05期

7 马建军;郑志强;胡德文;;包含执行器动力学的子空间预测动态控制分配方法[J];自动化学报;2010年01期

8 莫愿斌;刘贺同;陈德钊;;粒子群优化算法的发展趋势[J];计算机与应用化学;2009年04期

9 罗文广;;过热汽温的无辨识自适应预估控制研究[J];系统仿真学报;2007年24期

10 姜睿;罗贵明;;基于加权最小二乘法的最优适应控制器[J];自动化学报;2006年01期

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1 顾诞英;基于继电反馈的时滞系统自整定控制方法研究[D];上海交通大学;2010年

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1 何恩;基于阶跃测试的连续系统辨识方法研究[D];北京化工大学;2016年

2 于天琦;基于Dahlin控制算法的光纤陀螺温控系统设计[D];哈尔滨工程大学;2016年

3 徐征;控制系统模型辨识方法的研究及应用[D];北京邮电大学;2016年

4 李海霞;基于LMI的鲁棒PID控制器设计及模型预测控制器自愈研究[D];北京化工大学;2010年

本文编号：2884290