医用恒温箱的温度控制器开发与优化

摘要

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。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 模型辨识方法

1．2．2 大惯性对象的控制

1．2．3 控制器参数优化

1．3 本文的主要研究内容

第二章 医用恒温箱的模型辨识

2．1 引言

2．2 可用的模型辨识方法

2．2．1 阶跃辨识法

2．2．2 标准继电反馈辨识法

2．2．3 含有偏置的继电反馈辨识法

2．3 改进的含有偏置的继电反馈辨识法

2．4 仿真与实验

2．4．1 仿真验证

2．4．2 嵌入式控制器的开发

2．4．3 实验验证

2．5 小结

第三章 医用恒温箱的无辨识自适应控制

3．1 引言

3．2 无辨识自适应控制器的设计

3．3 无辨识自适应控制器的参数优化

3．4 仿真与实验

3．4．1 仿真验证

3．4．2 实验验证

3．5 小结

第四章 医用恒温箱的IMC-Dahlin控制

4．1 引言

4．2．1 Dahlin控制算法

4．2．2 IMC控制算法

4．2．3 IMC-Dahlin控制

4．3 IMC-Dahlin控制器的参数优化

4．3．1 确定系统的IMC-Dahlin控制器参数优化

4．3．2 含有不确定性系统的IMC-Dahlin控制器参数优化

4．4 仿真与实验

4．4．1 仿真验证

4．4．2 实验验证

4．5 小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

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