對恒溫培養(yǎng)振蕩器的轉(zhuǎn)速和溫度實行精確控制的技術(shù)探討

唐新南 沈水興 嚴廣號，上海智城分析儀器制造有限公司 上海~

恒溫培養(yǎng)振蕩器（以下簡稱：恒溫搖床）是醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、分子學(xué)、制藥、食品、環(huán)保等研究應(yīng)用領(lǐng)域有著重要應(yīng)用的樣品前處理設(shè)備。鑒于作為樣品的細菌、細胞等微量活性物質(zhì)在生長過程中需要一個優(yōu)良的生長環(huán)境，因此，對于恒溫搖床所具有的溫度、轉(zhuǎn)速乃至CO2、光照度等等一系列參數(shù)的控制精度提出了較高的要求。

如何實現(xiàn)對恒溫搖床各項指標(biāo)的精確控制這是業(yè)內(nèi)生產(chǎn)廠家普遍關(guān)心的問題。

一、關(guān)于影響運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)速精確控制的解決措施

1、運動機構(gòu)

恒溫搖床的振蕩方式和轉(zhuǎn)速影響著樣品混合的均勻度和溶氧量（氧氣、二氧化碳與微生物的融合程度），直接影響了生物反應(yīng)的效率。目前，常見的恒溫搖床的振蕩方式為偏心旋轉(zhuǎn)或直線往復(fù)運動兩種。振蕩幅度有單一固定型，分級可調(diào)節(jié)型和連續(xù)無級可調(diào)型三種。ZHICHENG公司生產(chǎn)的恒溫搖床其偏心大多采用連續(xù)無級可調(diào)型，不同的轉(zhuǎn)速配以不同的偏心距，便能獲得十分滿意的實驗效果。恒溫搖床的托盤結(jié)構(gòu)和運動方式對恒溫搖床運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性、噪聲和設(shè)備壽命都有著較大的關(guān)系。ZHICHENG公司擁有多項此類的發(fā)明專利，如多振幅無級可調(diào)技術(shù)，懸臂式往復(fù)驅(qū)動技術(shù)等，這些新技術(shù)的運用在保證設(shè)備平穩(wěn)運行、降低噪聲、無死角驅(qū)動和應(yīng)對不平衡負載等方面均起到了積極的作用。

2、轉(zhuǎn)速測量

轉(zhuǎn)速的測量可以采用測速電機來完成，在數(shù)字儀表中轉(zhuǎn)速的測量采用數(shù)字化直接測量技術(shù)，可以采用M法（測頻率）、T 法（測周期）來實現(xiàn)。采用石英晶體作為測速基準，保證測速的準確性和長期一致性。

3、驅(qū)動電機的選擇

恒溫搖床所使用的驅(qū)動電機可以采用各種類型的直流電機、直流無刷電機，單相交流電機和三相交流電機等，不同的電機需配有不同形式的調(diào)速器。

轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)可以采用各種類型直流的電機、直流無刷電機，單相交流電機和三相交流電機等，不同的電機需配有不同形式的調(diào)速器。實踐證明，直流電機的力矩控制最為穩(wěn)定，調(diào)速性能最為優(yōu)良。直流電機是電感性負載，可采用直流電源用PWM方式進行斬波調(diào)壓調(diào)速控制。也可對交流電源直接采用SCR對交流電源進行移相觸發(fā)實現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速。調(diào)速控制器需加入穩(wěn)定力矩需要的電流反饋、電壓反饋和速度反饋。另外，還需要有升、降速控制電路以及過流保護電路。直流電機啟動平穩(wěn)、啟動力矩大，調(diào)速性能好，但電刷會磨損需要定期維護，故不建議采用。單相交流電機結(jié)構(gòu)簡單、維護方便，也可用作恒溫搖床的驅(qū)動電機。但由于恒溫搖床需要驅(qū)動的是一種恒轉(zhuǎn)矩負載，故不能采用電風(fēng)扇調(diào)速方式的調(diào)壓調(diào)速，解決方法是在交流電機端蓋上安裝一個小型測速電機，在電路中引入測速反饋可實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩負載下電機的穩(wěn)定調(diào)速。三相交流電機的結(jié)構(gòu)簡單，配上變頻調(diào)速器也可實現(xiàn)對電機的穩(wěn)定調(diào)速。三相交流電機適合大型恒溫搖床的應(yīng)用。交流電機的額定轉(zhuǎn)速一般在1000—2000（r/min）有的甚至更高，故需要通過減速機構(gòu)來降速以滿足恒溫搖床所需要的轉(zhuǎn)速要求。減速裝置可通過齒輪箱、蝸輪蝸桿或皮帶輪進行減速，再帶動擺動轉(zhuǎn)換裝置實現(xiàn)直線型或橢圓型的振蕩功能。

目前，一種新型的直流無刷電機直驅(qū)技術(shù)已經(jīng)在ZHICHENG公司運用而生。直流無刷電機是近年來發(fā)展較快的一種驅(qū)動技術(shù)，其內(nèi)部的永磁體作為固定電極降低了能耗損失，采用霍爾元件進行位置檢測實現(xiàn)三組線圈的自動換向。配合電機調(diào)速器實現(xiàn)電機的啟動、換向和連續(xù)調(diào)速運轉(zhuǎn)。ZHICHENG公司采用自主設(shè)計、自主配套的多極低速大轉(zhuǎn)矩直流無刷電機，可以實現(xiàn)電機與托盤直接連接的直接驅(qū)動，省略了復(fù)雜的減速機構(gòu)，恒溫搖床實現(xiàn)了靜音運行，長期運行和長壽命使用的效果。這是當(dāng)前較為先進的一種新型振蕩調(diào)速方法。

4、轉(zhuǎn)速的控制

恒溫搖床電機的調(diào)速控制可以采用傳統(tǒng)PID控制方法，也可以采用模糊控制方法。模糊控制是一種人工智能控制方法，不需要控制對象的精確數(shù)學(xué)模型，通過總結(jié)熟練操作人員的經(jīng)驗，應(yīng)用if-then語句組合，把人工智能控制方法組合起來形成控制表格，再通過En和ΔEn輸入量查表得到控制量，最后轉(zhuǎn)換成輸出值實現(xiàn)控制。通過合理表格設(shè)計和數(shù)據(jù)流技術(shù)可以得到穩(wěn)定的控制效果，模糊控制技術(shù)特別適應(yīng)一些難以用數(shù)學(xué)模型描述、非線性、大滯后等難以控制的對象，提高控制精度和穩(wěn)定性。

考慮對實驗樣品的保護，恒溫搖床微控制器應(yīng)該具有超速報警裝置和超速保護裝置。當(dāng)實測轉(zhuǎn)速超過報警設(shè)定值時設(shè)備發(fā)出聲光報警信號，當(dāng)實測轉(zhuǎn)速超過保護設(shè)定值時，振蕩托盤停止振蕩。超速保護裝置應(yīng)該選擇獨立的超速控制裝置。該控制裝置應(yīng)該具有獨立的轉(zhuǎn)速檢測功能和控制功能，當(dāng)測量出托盤轉(zhuǎn)速超過超速設(shè)定值時，會自動快速切斷調(diào)速系統(tǒng)的電源，以保障樣品和設(shè)備的安全。獨立超速控制裝置上的轉(zhuǎn)速設(shè)定值，應(yīng)與主控制器上的轉(zhuǎn)速設(shè)定值保持同步以防止錯誤報警動作

恒溫搖床的轉(zhuǎn)速控制還需要引入緩啟動功能，以防止因托盤快速啟動所產(chǎn)生的強大離心力將托盤上的樣品打翻或甩脫。緩啟動開機時轉(zhuǎn)速應(yīng)該從零開始緩慢加速，逐漸加速到達轉(zhuǎn)速設(shè)定值并進入恒速狀態(tài)。另外，恒溫搖床還需要設(shè)置自動門控模式，當(dāng)使用者打開設(shè)備門時，托盤應(yīng)該停止運轉(zhuǎn)，關(guān)閉門后托盤應(yīng)該重新以緩啟動模式恢復(fù)運轉(zhuǎn)，以保證托盤上的樣品安全。

二、關(guān)于節(jié)能的溫度控制技術(shù)

1、溫度測量元器件的選擇

溫度的測量可采用精密熱電阻(常用PT100)、熱電偶、半導(dǎo)體溫度傳感器或集成數(shù)字化傳感器等感溫元件。通過測量放大電路將溫度量轉(zhuǎn)換成電壓信號，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，非線性修正得到溫度測量值

2、關(guān)于溫度的閉環(huán)反饋控制

開環(huán)控制應(yīng)用于控制量和被控制參數(shù)有一一對應(yīng)關(guān)系的控制場合。例如數(shù)控、程控和搖床應(yīng)用中的光照控制等。此控制方法不適合對溫度的控制。恒溫搖床的加熱功率和測量溫度值之間沒有直接對應(yīng)關(guān)系，通常是通過測量溫度采集，與設(shè)定溫度比較，得到偏差值，再經(jīng)控制器（俗稱調(diào)節(jié)器）運算得到控制量（輸出），再經(jīng)過執(zhí)行機構(gòu)（如加熱器、調(diào)壓器）進行控制，通過不斷重復(fù)這個過程，使偏差逐漸趨于零，整個重復(fù)過程就是閉環(huán)反饋的控制。

3、溫度的PID控制和參數(shù)整定

溫度控制器可以采用位式控制，即測量溫度低于設(shè)定溫度接通加熱，測量溫度高于設(shè)定溫度關(guān)斷加熱。位式控制的控制輸出只有0或者1兩種狀態(tài)，執(zhí)行機構(gòu)可以比較簡單。由于控制對象都具有慣性和滯后現(xiàn)象，故采用位式控制的效果是溫度始終處于上下波動狀態(tài)。比例控制的輸出是一個連續(xù)量（可以定義為0-100%區(qū)間），從完全不加熱變化到全功率加熱。比例控制器即可以理解為偏差越大，輸出控制量越大。這中間有一個可變系數(shù)，即比例帶P（0-100%，輸出滿幅度變化時輸入偏差的成比例范圍，是放大倍數(shù)的倒數(shù)），P越小相當(dāng)于放大倍數(shù)越大，控制越靈敏。但當(dāng)偏差=0時，控制輸出=0，但實際輸出=0就無法實現(xiàn)控溫，所以偏差不能為0，理論上這是一種有誤差的控制。要實現(xiàn)無誤差控制通常要加入積分I。在積分控制中，只要有偏差就會根據(jù)偏差極性來確定輸出積累增加或積累減少，直到消除偏差。所以只有加了積分才能最終消除誤差。積分參數(shù)單位為秒，I=300秒表示經(jīng)過300秒，輸出積累得到相當(dāng)于比例作用的輸出量。顯然I越小積分輸出越快，表明消除誤差的能力越大。D（微分）作用是對輸入的變化率起作用，對溫度的波動起到超前抑制作用。理論上當(dāng)輸入階躍突變時輸出為無窮大，但維持時間為零，這樣控制擾動太大、對慣性對象控制作用也不明顯。實際控制中采用不完全微分算法，微分增益為5-10，微分時間是指微分衰減時間，顯然D越大，微分作用越強，D設(shè)為0表明不用微分。實踐表明，采用PID閉環(huán)控制算法，對PID這三種控制作用進行組合對大部分的控制系統(tǒng)都能得到較好的控制效果。

針對不同的控制對象進行參數(shù)選擇以達到系統(tǒng)調(diào)節(jié)的快速穩(wěn)定稱為系統(tǒng)參數(shù)整定。當(dāng)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，系統(tǒng)可能出現(xiàn)不穩(wěn)定并產(chǎn)生較大誤差，其表現(xiàn)為溫度一直處于波動狀態(tài)，甚至出現(xiàn)發(fā)散現(xiàn)象。理想的控制對象是較大的時間常數(shù)（慣性較大、保溫性好）和較小的滯后（傳感器測量響應(yīng)靈敏）。為了減少當(dāng)設(shè)定值變化時引起的波動度，可以采用測量值微分先行的PID控制算法。為了加快大偏差時實際測量值快速變化到設(shè)定值附近，可考慮當(dāng)偏差大于一定數(shù)值時采用位式控制（可以滿功率加熱），當(dāng)偏差減小到一定數(shù)值后再進入PID實現(xiàn)精準控制。準連續(xù)控制方法，PID控制輸出是連續(xù)量（0-100%），稱為連續(xù)控制，通常用于電子調(diào)壓器、電動或氣動等連續(xù)量執(zhí)行機構(gòu)。用于溫度控制這一類大慣性控制對象時可以采用過零觸發(fā)SCR開關(guān)以調(diào)功模式工作，其輸出平均功率按照PID控制規(guī)律輸出。這樣執(zhí)行元件簡單、價低，干擾小，盡管是采用簡單的開關(guān)位式執(zhí)行元件控制也能達到PID連續(xù)控制的效果。

4、制冷系統(tǒng)的設(shè)計和電子步進熱氣旁通閥的應(yīng)用

電加熱控制升溫的方法非常簡單，采用PID控制算法便可實現(xiàn)精確而穩(wěn)定的控制效果。當(dāng)溫度設(shè)定值低于環(huán)境溫度（實際由于系統(tǒng)本身可能產(chǎn)生熱量和系統(tǒng)穩(wěn)定波動的范圍，一般低于環(huán)境溫度+5度）就需要開啟制冷系統(tǒng)。常用的制冷系統(tǒng)有，半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)、采用普通壓縮機或變頻壓縮機的制冷系統(tǒng)。其中，半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的優(yōu)點為結(jié)構(gòu)簡單，控溫方便；缺點是散熱不便、制冷量做大不易，故在恒溫搖床中鮮有使用；直接采用變頻控制技術(shù)的壓縮機制冷系統(tǒng)，由于變頻控溫模式下對制冷量的精確控制不易實現(xiàn)，故也難以直接應(yīng)用于對溫度控制精度要求較高的恒溫搖床。

目前正在業(yè)內(nèi)廣泛使用的壓縮機組制冷系統(tǒng)，從當(dāng)前節(jié)能環(huán)保角度來看，是一種浪費能源，偏離環(huán)保要求的方法，亟待予以改進。我們來具體分析一下其中的原因。

目前普遍采用的傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)，其缺點首先是壓縮機的啟停時間有限制。當(dāng)壓縮機高低兩端的管道壓力尚未達到自平衡狀態(tài)，而制冷系統(tǒng)檢測到需要降溫而發(fā)出制冷系統(tǒng)啟動的信號時，壓縮機就會處于一種無法啟動的熱飽和狀態(tài)，此種現(xiàn)象甚至極有可能直接引起“沖缸”而將壓縮機燒毀。因此壓縮機必須采取延時啟、停的方法，但這一方法的應(yīng)用又加大了控制溫度的波動，這不符合恒溫搖床對溫度要求穩(wěn)定的要求，故制冷系統(tǒng)不能采用簡單的啟、停壓縮機的方法來控制溫度。引入的熱補償法控制溫度，即始終開啟制冷系統(tǒng)（或部分開啟制冷），然后，再用加熱補償?shù)姆椒▉韺崿F(xiàn)冷熱平衡下對溫度的精確控制。這個辦法雖好，但系統(tǒng)內(nèi)的“冷熱平衡”就是過多的使用加熱器來對多余冷量進行對沖，這無疑又是能源的一種浪費，在提倡節(jié)能環(huán)保的大趨勢下，這一方案的缺陷就顯而易見了。那么是否還有既有效，又節(jié)能的制冷方案呢？答案是肯定的。采用三通電磁閥切換節(jié)流回路可以實現(xiàn)制冷量大小的控制，此系統(tǒng)在節(jié)流回路中使用了三通電磁閥，自動實現(xiàn)制冷或冷量旁通的切換，以實現(xiàn)對制冷量大小的調(diào)節(jié)。當(dāng)設(shè)定的工作溫度處于較高值的情況下，多余的冷量會通過旁通管路直接回到壓縮機及周邊管路，這極易引起壓縮機在內(nèi)的相關(guān)管路嚴重結(jié)霜，還有可能引起制冷系統(tǒng)的工作異常造成溫度失控。為了避免結(jié)霜，還需要采取化霜技術(shù)。目前，ZHICHENG公司在引進、消化、吸收、再創(chuàng)新基礎(chǔ)上，研發(fā)成功了一種更為先進的制冷控制方法——步進式電子旁通膨脹閥節(jié)流控制技術(shù)。

熱氣旁通是化霜或防止結(jié)霜的一種最好的方法。其原理為，通過熱氣旁通將壓縮機產(chǎn)生的部分高溫蒸汽直接送入蒸發(fā)器，可使蒸發(fā)器成為一個高低溫氣體的混合腔，腔體內(nèi)處于制冷和化霜的動態(tài)平衡狀態(tài)。由于此時的蒸發(fā)器溫度不是很低，所以就避免了結(jié)霜現(xiàn)象的產(chǎn)生。此技術(shù)既解決了溫度的控制要求，又滿足了低溫狀態(tài)下的設(shè)備長期穩(wěn)定的運行。此外，由于此技術(shù)減少了加熱器的運行，故相對節(jié)省了能源的消耗�？刂茻釟馀酝�量可采用控制一個電磁閥動作來調(diào)節(jié)旁通量的大小，還可采用電子膨脹閥來精確控制旁通量。由ZHICHENG公司特制的制冷系統(tǒng)步進電機控制器，可實現(xiàn)對閥位的精細、精準控制�？刂破鞯墓β氏�耗很小，特別是在制冷系統(tǒng)進入控制的穩(wěn)定狀態(tài)后，閥位基本保持不變，步進電機幾乎沒有能量消耗。另外，采用電子旁通膨脹閥還避免了周期性頻繁動作的電磁閥噪聲，實現(xiàn)了制冷系統(tǒng)的靜音運行。ZHICHENG公司采用了進口電子膨脹閥，還自行研發(fā)成功了細分技術(shù)之下的、專門為此配套的電子膨脹閥控制驅(qū)動器，兩者配套使用得到了非常精準、非常穩(wěn)定的控制以及非常經(jīng)濟的效果。此技術(shù)已經(jīng)大面積應(yīng)用于ZHICHENG公司各款恒溫搖床的產(chǎn)品上。

三、關(guān)于影響溫度控制精度的因素及解決措施

一般恒溫搖床或箱體顯示的溫度分辨力為0.1度，這已經(jīng)滿足一般工廠或?qū)嶒炇业男枨�。分辨力由電路設(shè)計決定，一般要求實際內(nèi)部的電路分辨率都應(yīng)該高于顯示的分辨率，這樣才有可能使得測量溫度的顯示值維持未位數(shù)值不變。精度是指在工作環(huán)境中多次測量溫度的重復(fù)性。精度與分辨率有關(guān)，更與測量傳感器的精度，電路和元器件的熱穩(wěn)定性，測量方法等有關(guān)。箱體內(nèi)溫度的均勻性取決于箱內(nèi)制冷加熱器的結(jié)構(gòu)形式、風(fēng)道結(jié)構(gòu)以及循環(huán)風(fēng)扇的風(fēng)量大小。對于溫度顯示值而言，ZHICHENG產(chǎn)品出廠時都按箱體內(nèi)9點溫度平均值進行了調(diào)校。如果使用者對精度有著更高的要求，可在滿足精度的標(biāo)準計量器具的顯示比對下，進行絕對值的校正（ATC功能，能對0度和滿度進行校正）。