对恒温培养振荡器的转速和温度实行精确控制的技术探讨

唐新南 沈水兴 严广号，上海智城分析仪器制造有限公司 上海~

恒温培养振荡器（以下简称：恒温摇床）是医学、生物学、分子学、制药、食品、环保等研究应用领域有着重要应用的样品前处理设备。鉴于作为样品的细菌、细胞等微量活性物质在生长过程中需要一个优良的生长环境，因此，对于恒温摇床所具有的温度、转速乃至CO2、光照度等等一系列参数的控制精度提出了较高的要求。

如何实现对恒温摇床各项指标的精确控制这是业内生产厂家普遍关心的问题。

一、关于影响运转的稳定性和转速精确控制的解决措施

1、运动机构

恒温摇床的振荡方式和转速影响着样品混合的均匀度和溶氧量（氧气、二氧化碳与微生物的融合程度），直接影响了生物反应的效率。目前，常见的恒温摇床的振荡方式为偏心旋转或直线往复运动两种。振荡幅度有单一固定型，分级可调节型和连续无级可调型三种。ZHICHENG公司生产的恒温摇床其偏心大多采用连续无级可调型，不同的转速配以不同的偏心距，便能获得十分满意的实验效果。恒温摇床的托盘结构和运动方式对恒温摇床运转的稳定性、噪声和设备寿命都有着较大的关系。ZHICHENG公司拥有多项此类的发明专利，如多振幅无级可调技术，悬臂式往复驱动技术等，这些新技术的运用在保证设备平稳运行、降低噪声、无死角驱动和应对不平衡负载等方面均起到了积极的作用。

2、转速测量

转速的测量可以采用测速电机来完成，在数字仪表中转速的测量采用数字化直接测量技术，可以采用M法（测频率）、T 法（测周期）来实现。采用石英晶体作为测速基准，保证测速的准确性和长期一致性。

3、驱动电机的选择

恒温摇床所使用的驱动电机可以采用各种类型的直流电机、直流无刷电机，单相交流电机和三相交流电机等，不同的电机需配有不同形式的调速器。

转速调节可以采用各种类型直流的电机、直流无刷电机，单相交流电机和三相交流电机等，不同的电机需配有不同形式的调速器。实践证明，直流电机的力矩控制最为稳定，调速性能最为优良。直流电机是电感性负载，可采用直流电源用PWM方式进行斩波调压调速控制。也可对交流电源直接采用SCR对交流电源进行移相触发实现调压调速。调速控制器需加入稳定力矩需要的电流反馈、电压反馈和速度反馈。另外，还需要有升、降速控制电路以及过流保护电路。直流电机启动平稳、启动力矩大，调速性能好，但电刷会磨损需要定期维护，故不建议采用。单相交流电机结构简单、维护方便，也可用作恒温摇床的驱动电机。但由于恒温摇床需要驱动的是一种恒转矩负载，故不能采用电风扇调速方式的调压调速，解决方法是在交流电机端盖上安装一个小型测速电机，在电路中引入测速反馈可实现恒转矩负载下电机的稳定调速。三相交流电机的结构简单，配上变频调速器也可实现对电机的稳定调速。三相交流电机适合大型恒温摇床的应用。交流电机的额定转速一般在1000—2000（r/min）有的甚至更高，故需要通过减速机构来降速以满足恒温摇床所需要的转速要求。减速装置可通过齿轮箱、蜗轮蜗杆或皮带轮进行减速，再带动摆动转换装置实现直线型或椭圆型的振荡功能。

目前，一种新型的直流无刷电机直驱技术已经在ZHICHENG公司运用而生。直流无刷电机是近年来发展较快的一种驱动技术，其内部的永磁体作为固定电极降低了能耗损失，采用霍尔元件进行位置检测实现三组线圈的自动换向。配合电机调速器实现电机的启动、换向和连续调速运转。ZHICHENG公司采用自主设计、自主配套的多极低速大转矩直流无刷电机，可以实现电机与托盘直接连接的直接驱动，省略了复杂的减速机构，恒温摇床实现了静音运行，长期运行和长寿命使用的效果。这是当前较为先进的一种新型振荡调速方法。

4、转速的控制

恒温摇床电机的调速控制可以采用传统PID控制方法，也可以采用模糊控制方法。模糊控制是一种人工智能控制方法，不需要控制对象的精确数学模型，通过总结熟练操作人员的经验，应用if-then语句组合，把人工智能控制方法组合起来形成控制表格，再通过En和ΔEn输入量查表得到控制量，最后转换成输出值实现控制。通过合理表格设计和数据流技术可以得到稳定的控制效果，模糊控制技术特别适应一些难以用数学模型描述、非线性、大滞后等难以控制的对象，提高控制精度和稳定性。

考虑对实验样品的保护，恒温摇床微控制器应该具有超速报警装置和超速保护装置。当实测转速超过报警设定值时设备发出声光报警信号，当实测转速超过保护设定值时，振荡托盘停止振荡。超速保护装置应该选择独立的超速控制装置。该控制装置应该具有独立的转速检测功能和控制功能，当测量出托盘转速超过超速设定值时，会自动快速切断调速系统的电源，以保障样品和设备的安全。独立超速控制装置上的转速设定值，应与主控制器上的转速设定值保持同步以防止错误报警动作

恒温摇床的转速控制还需要引入缓启动功能，以防止因托盘快速启动所产生的强大离心力将托盘上的样品打翻或甩脱。缓启动开机时转速应该从零开始缓慢加速，逐渐加速到达转速设定值并进入恒速状态。另外，恒温摇床还需要设置自动门控模式，当使用者打开设备门时，托盘应该停止运转，关闭门后托盘应该重新以缓启动模式恢复运转，以保证托盘上的样品安全。

二、关于节能的温度控制技术

1、温度测量元器件的选择

温度的测量可采用精密热电阻(常用PT100)、热电偶、半导体温度传感器或集成数字化传感器等感温元件。通过测量放大电路将温度量转换成电压信号，再经A/D转换，非线性修正得到温度测量值

2、关于温度的闭环反馈控制

开环控制应用于控制量和被控制参数有一一对应关系的控制场合。例如数控、程控和摇床应用中的光照控制等。此控制方法不适合对温度的控制。恒温摇床的加热功率和测量温度值之间没有直接对应关系，通常是通过测量温度采集，与设定温度比较，得到偏差值，再经控制器（俗称调节器）运算得到控制量（输出），再经过执行机构（如加热器、调压器）进行控制，通过不断重复这个过程，使偏差逐渐趋于零，整个重复过程就是闭环反馈的控制。

3、温度的PID控制和参数整定

温度控制器可以采用位式控制，即测量温度低于设定温度接通加热，测量温度高于设定温度关断加热。位式控制的控制输出只有0或者1两种状态，执行机构可以比较简单。由于控制对象都具有惯性和滞后现象，故采用位式控制的效果是温度始终处于上下波动状态。比例控制的输出是一个连续量（可以定义为0-100%区间），从完全不加热变化到全功率加热。比例控制器即可以理解为偏差越大，输出控制量越大。这中间有一个可变系数，即比例带P（0-100%，输出满幅度变化时输入偏差的成比例范围，是放大倍数的倒数），P越小相当于放大倍数越大，控制越灵敏。但当偏差=0时，控制输出=0，但实际输出=0就无法实现控温，所以偏差不能为0，理论上这是一种有误差的控制。要实现无误差控制通常要加入积分I。在积分控制中，只要有偏差就会根据偏差极性来确定输出积累增加或积累减少，直到消除偏差。所以只有加了积分才能最终消除误差。积分参数单位为秒，I=300秒表示经过300秒，输出积累得到相当于比例作用的输出量。显然I越小积分输出越快，表明消除误差的能力越大。D（微分）作用是对输入的变化率起作用，对温度的波动起到超前抑制作用。理论上当输入阶跃突变时输出为无穷大，但维持时间为零，这样控制扰动太大、对惯性对象控制作用也不明显。实际控制中采用不完全微分算法，微分增益为5-10，微分时间是指微分衰减时间，显然D越大，微分作用越强，D设为0表明不用微分。实践表明，采用PID闭环控制算法，对PID这三种控制作用进行组合对大部分的控制系统都能得到较好的控制效果。

针对不同的控制对象进行参数选择以达到系统调节的快速稳定称为系统参数整定。当参数设置不当，系统可能出现不稳定并产生较大误差，其表现为温度一直处于波动状态，甚至出现发散现象。理想的控制对象是较大的时间常数（惯性较大、保温性好）和较小的滞后（传感器测量响应灵敏）。为了减少当设定值变化时引起的波动度，可以采用测量值微分先行的PID控制算法。为了加快大偏差时实际测量值快速变化到设定值附近，可考虑当偏差大于一定数值时采用位式控制（可以满功率加热），当偏差减小到一定数值后再进入PID实现精准控制。准连续控制方法，PID控制输出是连续量（0-100%），称为连续控制，通常用于电子调压器、电动或气动等连续量执行机构。用于温度控制这一类大惯性控制对象时可以采用过零触发SCR开关以调功模式工作，其输出平均功率按照PID控制规律输出。这样执行元件简单、价低，干扰小，尽管是采用简单的开关位式执行元件控制也能达到PID连续控制的效果。

4、制冷系统的设计和电子步进热气旁通阀的应用

电加热控制升温的方法非常简单，采用PID控制算法便可实现精确而稳定的控制效果。当温度设定值低于环境温度（实际由于系统本身可能产生热量和系统稳定波动的范围，一般低于环境温度+5度）就需要开启制冷系统。常用的制冷系统有，半导体制冷系统、采用普通压缩机或变频压缩机的制冷系统。其中，半导体制冷系统的优点为结构简单，控温方便；缺点是散热不便、制冷量做大不易，故在恒温摇床中鲜有使用；直接采用变频控制技术的压缩机制冷系统，由于变频控温模式下对制冷量的精确控制不易实现，故也难以直接应用于对温度控制精度要求较高的恒温摇床。

目前正在业内广泛使用的压缩机组制冷系统，从当前节能环保角度来看，是一种浪费能源，偏离环保要求的方法，亟待予以改进。我们来具体分析一下其中的原因。

目前普遍采用的传统制冷系统，其缺点首先是压缩机的启停时间有限制。当压缩机高低两端的管道压力尚未达到自平衡状态，而制冷系统检测到需要降温而发出制冷系统启动的信号时，压缩机就会处于一种无法启动的热饱和状态，此种现象甚至极有可能直接引起“冲缸”而将压缩机烧毁。因此压缩机必须采取延时启、停的方法，但这一方法的应用又加大了控制温度的波动，这不符合恒温摇床对温度要求稳定的要求，故制冷系统不能采用简单的启、停压缩机的方法来控制温度。引入的热补偿法控制温度，即始终开启制冷系统（或部分开启制冷），然后，再用加热补偿的方法来实现冷热平衡下对温度的精确控制。这个办法虽好，但系统内的“冷热平衡”就是过多的使用加热器来对多余冷量进行对冲，这无疑又是能源的一种浪费，在提倡节能环保的大趋势下，这一方案的缺陷就显而易见了。那么是否还有既有效，又节能的制冷方案呢？答案是肯定的。采用三通电磁阀切换节流回路可以实现制冷量大小的控制，此系统在节流回路中使用了三通电磁阀，自动实现制冷或冷量旁通的切换，以实现对制冷量大小的调节。当设定的工作温度处于较高值的情况下，多余的冷量会通过旁通管路直接回到压缩机及周边管路，这极易引起压缩机在内的相关管路严重结霜，还有可能引起制冷系统的工作异常造成温度失控。为了避免结霜，还需要采取化霜技术。目前，ZHICHENG公司在引进、消化、吸收、再创新基础上，研发成功了一种更为先进的制冷控制方法——步进式电子旁通膨胀阀节流控制技术。

热气旁通是化霜或防止结霜的一种最好的方法。其原理为，通过热气旁通将压缩机产生的部分高温蒸汽直接送入蒸发器，可使蒸发器成为一个高低温气体的混合腔，腔体内处于制冷和化霜的动态平衡状态。由于此时的蒸发器温度不是很低，所以就避免了结霜现象的产生。此技术既解决了温度的控制要求，又满足了低温状态下的设备长期稳定的运行。此外，由于此技术减少了加热器的运行，故相对节省了能源的消耗。控制热气旁通量可采用控制一个电磁阀动作来调节旁通量的大小，还可采用电子膨胀阀来精确控制旁通量。由ZHICHENG公司特制的制冷系统步进电机控制器，可实现对阀位的精细、精准控制。控制器的功率消耗很小，特别是在制冷系统进入控制的稳定状态后，阀位基本保持不变，步进电机几乎没有能量消耗。另外，采用电子旁通膨胀阀还避免了周期性频繁动作的电磁阀噪声，实现了制冷系统的静音运行。ZHICHENG公司采用了进口电子膨胀阀，还自行研发成功了细分技术之下的、专门为此配套的电子膨胀阀控制驱动器，两者配套使用得到了非常精准、非常稳定的控制以及非常经济的效果。此技术已经大面积应用于ZHICHENG公司各款恒温摇床的产品上。

三、关于影响温度控制精度的因素及解决措施

一般恒温摇床或箱体显示的温度分辨力为0.1度，这已经满足一般工厂或实验室的需求。分辨力由电路设计决定，一般要求实际内部的电路分辨率都应该高于显示的分辨率，这样才有可能使得测量温度的显示值维持未位数值不变。精度是指在工作环境中多次测量温度的重复性。精度与分辨率有关，更与测量传感器的精度，电路和元器件的热稳定性，测量方法等有关。箱体内温度的均匀性取决于箱内制冷加热器的结构形式、风道结构以及循环风扇的风量大小。对于温度显示值而言，ZHICHENG产品出厂时都按箱体内9点温度平均值进行了调校。如果使用者对精度有着更高的要求，可在满足精度的标准计量器具的显示比对下，进行绝对值的校正（ATC功能，能对0度和满度进行校正）。