摘要：在微机应用系统中，使用PID算法实现参数控制，可以取得快速、精确的控制效果。本文通过一种医用温控装置，介绍PID算法在这方面的应用。在硬件上还扼要介绍了晶闸管的温控原理。

中图分类号：R318.6

文献标识码：B

文章编号：1005-202X(1999)02-0094-02

Application of PID algorithm in temperature conurol of

the medical instrumentation

WANG Ziu-zhi， ZHANG Ze-bao

(Department of physics,china Medical University,Shengyang 110001,China)

Abstract;In microcomputer application system,real time control can be fast and accurate by PID algorithm.The paper describes application of PID algorithm for medical instrumentation of temperature control.It also describes the principle of silicon controlled rectifier in hardware.

Key words:medical instrumentation;PID;microcomputer control.

概述：随着微电子技术的迅速发展，许多医疗仪器实现了对诸多参数的自动检测与控制。在这里我们介绍一种温控系统的PID算法编程及晶闸管温控的加热原理。该系统不但可用于透析机，也可用于其他恒温控制和24小时连续治疗机器。

1硬件设计

1.1硬件结构

该系统采用80C31单片机作为核心部件，外接2K字节EPROM，存贮用户控制程序。一片10位A/D转换器将温度信号转变为数字量输入微机后，与温度设定值进行比较，采用PID算法计算出电压调整量，控制晶闸管的导通时间，实现控温目的。

1.2晶闸管控温过程

液温的电加热一般采用移相触发可控硅调节方式。即微机根据PID公式计算出控制电压值，经D/A变换成模拟量输出给晶闸管，控制可控硅导通角。为避免电源畸变造成干扰，此处采用双向晶闸管固定周期控制方式。工作原理为，选定控制脉冲的周期T_c=1 s，100个工频电源半周期即为10 ms。根据PID计算结果，微机在1秒固定周期内，发出不同宽度的电脉冲去控制双向晶闸管的门极，改变其导通时间，从而控制加热器的平均输出功率。双向晶闸管控制接口逻辑如图1所示，其控制周期及输出波形参见图2。

图1双向晶闸管控制逻辑

图2双向晶闸管的控制周期及输出波形

2PID控制程序设计

要实现对温度的高精度、高稳定度控制，必须采用合理的控制算法。在这一系统中我们采用技术成熟，应用广泛的PID调节方式。它的控制过程为，微机经A/D“读出”实际液体温度T_k，然后和设定温度T_G相比较，得出差值e_k=T_G-T_K。微机根据e_k的正负大小，调用PID公式，计算并输出给晶闸管的电压调节量△P_K，以使液温迅速趋于设定值。

PID算法的计算公式为

△P_k=K_p［(e_k-e_k-1］+K_Ie_k+K_D(e_k-2e_k-1+e_k-2)］

=K_p(e_k-e_k-1)+K′_Ie_k+K′_D(e_k-2e_k-1+e_k-2)

其中K′_I=K_p^.K_I，K′_D=K_P^.K_D，e_k为本次采样时刻的温度误差，e_k-1为上次温度误差，e_k-2为再上次采样的温度差值。K_p为比例系数，K_I为积分系数，K_D为微分系数。据此编制PID运算子程序，其框图参见图3。

图3PID运算子程序框图

使用PID算法能否达到原设计的调节品质。在于整定好三个关键参数：比例系数K_p、积分系数K_I和微分系数K_D。它们的取值范围与模拟电路的开环增益有关。我们根据实验结果，确定K_p=0.192，K_I=0.147，K_D=0.962。

3系统精度及稳定性

系统控温精度取决于两点，一是检测精度，二是采用的控制方法。关于第二点前面已阐明。为了实现检测的高精度，我们使用0～100 ℃温度传感器输出电压范围0～5 V，不难计算，A/D转换器的每位温度分辨率约为0.1 ℃。我们在内装500 ml水的玻璃缸内使用这一装置进行控温试验。程序将温度设定值置于38 ℃，初始水温为25 ℃，经2分10秒水温升至38 ℃，经2小时观测，温度变化在0.1 ℃范围以内，达到了原设计精度。

4结束语

使用PID算法和晶闸管实施自动控制系统，不仅具有控制参数精度高、反映速度快和稳定性好的特点，更大的优点还在于这种控制系统的灵活性。温度设定值可根据实际需要随意修改。若改变温控范围和精度时，只需更换A/D转换器即可，节约了其他硬件资源。另外，根据使用环境，单片机的I/O通道可用于参数采集以及开关量控制，充分发挥微机的硬件和软件资源的功效。

参考文献

［1］仇慎谦.PID调节规律和过程控制［M］.南京：江苏科学技术出版社，1987.137-144.

［2］粟学忠，等.千吨Vc生产线微机控制系统［J］.微处理机杂志，1993(1)：48-51.

收稿日期：1998-10-20