改进的PID算法在输液加温器中的应用

摘 要： 针对目前市场上的输液加温器在使用过程中常会出现加热温度过高，显示温度与出口温度偏差大的情况。以市售某公司加温器为平台，对加温器的加热过程进行实验研究。在温度控制过程中采用了改进的位置式PID算法，PID参数采用工程整定的方式获得；通过控制可控硅的PWM占空比达到控制加热效果；通过Matlab的曲线拟合功能，获取估测的出口水温与实际出口温度的近似关系。最后经过测试对比，有较好的加热效果和较高的温控精度，符合临床使用的要求。

关键字： 改进的位置式PID算法； 数据处理； 输液加温器； 温度控制

中图分类号： TN710?34； TP272 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）01?0110?03

0 引 言

病人在进行输液时，如果长期进行低温输液，不仅会降低输液效果，还可能会使病人产生诸如胃部疼痛、出现凝血障碍、输液不吸收、腹泻、降低病人机体抗感染能力等不良反应，在输液速度较快、量大时，低温输液甚至会危机病人生命。因此，输液加温器应运而生，成了相关医疗机构关注的热点。但对液体加热过大同样会造成新的医疗问题，不仅利于病人的治疗，甚至可能危及病人生命安全。而现有的输液加温器时有在加热过程加热温度过高的问题，有时甚至比设定温度高出3～10 ℃（一般情况下高于设定温度1 ℃，就认为是温度过冲，正常的工作温度应在设定温度±1 ℃或更少），鉴于这种情况。本文通过实验，研究液体流速与出口液体温度的关系，采用位置式PID算法取代原加温器的算法，对加温器的加热温度进行精准控制，最后在室温下获得较好的实验结果。

1 PID控制算法简介

PID（Proportional Integral Differential）控制算法由于其算法效率高和鲁棒性好，被广泛应用于工业控制领域。

在实际的工程应用中，数字PID控制算法常分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。

数字位置式PID表达式为：

[u（k）=KPe（k）+KIj=0ke（j）+KD[e（k）-e（k-1）]] （1）

式中：[e（k）]为基本偏差值，表示第[k]次取样的测量值与设定值间的差；[u（k）]为控制量输出值，表示第[k]次取样后的控制量输出值；[KP]为比例系数；[KI]为积分系数；[KD]为微分系数。

数字增量式PID表达式为：

[u（k）=KP[e（k）-e（k-1）]+KIe（k）+KD[e（k）-2e（k-1）+e（k-2）]] （2）

增量式PID算法与位置式PID算法相比，虽然具有以下优点：

（1） 计算机输出增量，所以误动作影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉。

（2） 手动/自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故依然能保持原值。

（3） 不产生积分失控，所以容易获得较好的调节品质。

但增量式算法具有以下不足之处：

（1） 积分截断效应大，有静态误差；

（2） 溢出的影响大。

由于本实验采用液体加温器，其系统结构具有明显的惯性和滞后性（无算法控制下，加热时间越长，加热过冲越大，输出的温度曲线抖动大），且对温度的控制精度（不能出现过冲现象）、自然降温速度慢（相对加热速度），本文采用了改进式的位置PID算法。 图1为本文所采用的改进的PID算法的流程图。