引言

嬰兒培養箱主要應用于早產兒、低體重兒、病危兒或發育不良的新生兒的臨床醫療。在兒科的醫療護理中占有重要地位，是醫院不可或缺的醫療器械[1][2]。由于此類嬰兒的特殊性，所以嬰兒培養箱對控制精度、穩定性能和安全性都有較高要求。現今市場上的嬰兒培養箱大多采用傳統的PID算法。常規PID算法是過程控制中應用最為廣泛的一種基本控制規律，具有穩定性高、魯棒性好等優點。但其對時變非線性系統來說控制就難以達到很好的效果。本文采用模糊PID算法對嬰兒培養箱的溫度加以控制，系統的動靜態特性得到進一步改善。

1 嬰兒培養箱溫度控制系統的設計

本系統利用單片機技術對培養箱溫度實施伺服控制，開機即可自動進入箱溫控制狀態。溫度控制監測儀是儀器的核心部件，具有溫度設置，實時溫度監測等功能。系統組成框圖如圖1所示：

嬰兒培養箱內的空氣溫度具有延遲性，從檢測到箱內溫度小于設定值到加熱器開始加熱，箱內溫度會持續降低一段時間，當加熱停止時，溫度并不會馬上停止上升而是上升一段時間后才停止。因此，嬰兒培養箱內的溫度一直在上下波動。采用模糊自適應PID控制可以較好的解決此類問題，微分控制分量可以改善系統的動態特性，而積分控制分量可以減少系統靜差。

2 系統的硬件結構

本系統硬件結構控制芯片選用16位低功耗MSP430系列單片機[3][4]，采用DS18B20溫度傳感器將嬰兒培養箱的溫度測量值通過單線傳入單片機I/O口，與傳統的熱敏電阻相比,它能夠直接讀出被測溫度,并且可根據實際要求通過編程實現9～12 位的數字值讀數方式;可以分別在93. 75 ms 和750 ms 內完成9 位和12 位的數字量。溫度測量值在單片機內部經過模糊自適應PID運算后，輸出控制信號給光耦離合器，以實現輸入信號和輸出信號的隔離，減少干擾，和實現信號的放大。放大后的信號用于控制可控硅，從而實現對加熱絲工作與否的控制。通過鍵盤和液晶顯示分別實現對溫度值進行標定，定時顯示溫度值，設定上下限報警值等功能。具體電路如圖2所示。

3 軟件設計

軟件設計主要采用自適應模糊PID控制方法[5][6][7][8]。模糊控制是一種以模糊控制論、模糊語言變量及模糊邏輯推理為基礎的新型計算機智能控制。與傳統的PID算法相結合形成了模糊自適應控制理論，運用模糊推理實現PID參數的自動調整。

自適應模糊PID控制器以誤差E和誤差變化Ec作為輸入,可以滿足不同時刻偏差E和偏差變化率Ec對PID參數自整定的要求。利用模糊控制規則在線對PID參數進行修改,便構成了自適應模糊PID控制器,如圖3所示。

設定輸入變量E和Ec語言值的模糊子集為{負，負中, 負小, 零, 正小, 正中, 正大}, 并簡記為{NB,NM, NS, ZO, PS, PM, PB}, 將誤差E 和誤差變化率Ec 量化到( - 5, 5) 的區域內，輸入變量的隸屬函數曲線如圖4所示。同樣, 設計輸出量KP、KI和KD的模糊子集為{ZO, PS, PM, PB}, 并分別將其量化到區域( 0, 3) ，（0，0.2），（0，0.8）內。