對恒溫培養(yǎng)振蕩器的轉速和溫度實行精確控制的技術探討

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、生物學、分子學、制藥、食品、環(huán)保等研究應用領域有著重要應用的樣品前處理設備。鑒于作為樣品的細菌、細胞等微量活性物質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的精確控制這是業(yè)內生產廠家普遍關心的問題。

一、關于影響運轉的穩(wěn)定性和轉速精確控制的解決措施

1、運動機構

恒溫搖床的振蕩方式和轉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的效率。目前，常見的恒溫搖床的振蕩方式為偏心旋轉或直線往復運動兩種。振蕩幅度有單一固定型，分級可調節(jié)型和連續(xù)無級可調型三種。ZHICHENG公司生產的恒溫搖床其偏心大多采用連續(xù)無級可調型，不同的轉速配以不同的偏心距，便能獲得十分滿意的實驗效果。恒溫搖床的托盤結構和運動方式對恒溫搖床運轉的穩(wěn)定性、噪聲和設備壽命都有著較大的關系。ZHICHENG公司擁有多項此類的發(fā)明專利，如多振幅無級可調技術，懸臂式往復驅動技術等，這些新技術的運用在保證設備平穩(wěn)運行、降低噪聲、無死角驅動和應對不平衡負載等方面均起到了積極的作用。

2、轉速測量

轉速的測量可以采用測速電機來完成，在數(shù)字儀表中轉速的測量采用數(shù)字化直接測量技術，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、驅動電機的選擇

恒溫搖床所使用的驅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速器。

轉速調節(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速器。實踐證明，直流電機的力矩控制最為穩(wěn)定，調速性能最為優(yōu)良。直流電機是電感性負載，可采用直流電源用PWM方式進行斬波調壓調速控制。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)調壓調速。調速控制器需加入穩(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。單相交流電機結構簡單、維護方便，也可用作恒溫搖床的驅動電機。但由于恒溫搖床需要驅動的是一種恒轉矩負載，故不能采用電風扇調速方式的調壓調速，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)恒轉矩負載下電機的穩(wěn)定調速。三相交流電機的結構簡單，配上變頻調速器也可實現(xiàn)對電機的穩(wěn)定調速。三相交流電機適合大型恒溫搖床的應用。交流電機的額定轉速一般在1000—2000（r/min）有的甚至更高，故需要通過減速機構來降速以滿足恒溫搖床所需要的轉速要求。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技術已經(jīng)在ZHICHENG公司運用而生。直流無刷電機是近年來發(fā)展較快的一種驅動技術，其內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。配合電機調速器實現(xiàn)電機的啟動、換向和連續(xù)調速運轉。ZHICHENG公司采用自主設計、自主配套的多極低速大轉矩直流無刷電機，可以實現(xiàn)電機與托盤直接連接的直接驅動，省略了復雜的減速機構，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。這是當前較為先進的一種新型振蕩調速方法。

4、轉速的控制

恒溫搖床電機的調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)學模型，通過總結熟練操作人員的經(jīng)驗，應用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，最后轉換成輸出值實現(xiàn)控制。通過合理表格設計和數(shù)據(jù)流技術可以得到穩(wěn)定的控制效果，模糊控制技術特別適應一些難以用數(shù)學模型描述、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該具有超速報警裝置和超速保護裝置。當實測轉速超過報警設定值時設備發(fā)出聲光報警信號，當實測轉速超過保護設定值時，振蕩托盤停止振蕩。超速保護裝置應該選擇獨立的超速控制裝置。該控制裝置應該具有獨立的轉速檢測功能和控制功能，當測量出托盤轉速超過超速設定值時，會自動快速切斷調速系統(tǒng)的電源，以保障樣品和設備的安全。獨立超速控制裝置上的轉速設定值，應與主控制器上的轉速設定值保持同步以防止錯誤報警動作

恒溫搖床的轉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。緩啟動開機時轉速應該從零開始緩慢加速，逐漸加速到達轉速設定值并進入恒速狀態(tài)。另外，恒溫搖床還需要設置自動門控模式，當使用者打開設備門時，托盤應該停止運轉，關閉門后托盤應該重新以緩啟動模式恢復運轉，以保證托盤上的樣品安全。

二、關于節(jié)能的溫度控制技術

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換成電壓信號，再經(jīng)A/D轉換，非線性修正得到溫度測量值

2、關于溫度的閉環(huán)反饋控制

開環(huán)控制應用于控制量和被控制參數(shù)有一一對應關系的控制場合。例如數(shù)控、程控和搖床應用中的光照控制等。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關系，通常是通過測量溫度采集，與設定溫度比較，得到偏差值，再經(jīng)控制器（俗稱調節(jié)器）運算得到控制量（輸出），再經(jīng)過執(zhí)行機構（如加熱器、調壓器）進行控制，通過不斷重復這個過程，使偏差逐漸趨于零，整個重復過程就是閉環(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，即測量溫度低于設定溫度接通加熱，測量溫度高于設定溫度關斷加熱。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越小相當于放大倍數(shù)越大，控制越靈敏。但當偏差=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)調節(jié)的快速穩(wěn)定稱為系統(tǒng)參數(shù)整定。當參數(shù)設置不當，系統(tǒng)可能出現(xiàn)不穩(wěn)定并產生較大誤差，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（傳感器測量響應靈敏）。為了減少當設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定值附近，可考慮當偏差大于一定數(shù)值時采用位式控制（可以滿功率加熱），當偏差減小到一定數(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，通常用于電子調壓器、電動或氣動等連續(xù)量執(zhí)行機構。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開關以調功模式工作，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)的設計和電子步進熱氣旁通閥的應用

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。當溫度設定值低于環(huán)境溫度（實際由于系統(tǒng)本身可能產生熱量和系統(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，半導體制冷系統(tǒng)的優(yōu)點為結構簡單，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)內廣泛使用的壓縮機組制冷系統(tǒng)，從當前節(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)對制冷量大小的調節(jié)。當設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的相關管路嚴重結霜，還有可能引起制冷系統(tǒng)的工作異常造成溫度失控。為了避免結霜，還需要采取化霜技術。目前，ZHICHENG公司在引進、消化、吸收、再創(chuàng)新基礎上，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。

熱氣旁通是化霜或防止結霜的一種最好的方法。其原理為，通過熱氣旁通將壓縮機產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，所以就避免了結霜現(xiàn)象的產生。此技術既解決了溫度的控制要求，又滿足了低溫狀態(tài)下的設備長期穩(wěn)定的運行。此外，由于此技術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。控制器的功率消耗很小，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)成功了細分技術之下的、專門為此配套的電子膨脹閥控制驅動器，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。此技術已經(jīng)大面積應用于ZHICHENG公司各款恒溫搖床的產品上。

三、關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)滿足一般工廠或實驗室的需求。分辨力由電路設計決定，一般要求實際內部的電路分辨率都應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性。精度與分辨率有關，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。箱體內溫度的均勻性取決于箱內制冷加熱器的結構形式、風道結構以及循環(huán)風扇的風量大小。對于溫度顯示值而言，ZHICHENG產品出廠時都按箱體內9點溫度平均值進行了調校。如果使用者對精度有著更高的要求，可在滿足精度的標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）。