二氧化碳培養(yǎng)箱及其濃度控制方法
1.本發(fā)明涉及動(dòng)植物培養(yǎng)箱技術(shù)領(lǐng)域，尤其是二氧化碳培養(yǎng)箱及其濃度控制方法。
背景技術(shù)：
2.在農(nóng)業(yè)和生命科學(xué)研究、生產(chǎn)中，通常采用氣體培養(yǎng)箱來獲得生物體在某些氣體設(shè)定濃度下的生長數(shù)據(jù)和結(jié)果，二氧化碳培養(yǎng)箱就是其中常見的一種。在培養(yǎng)過程中，要求箱內(nèi)的二氧化碳濃度保持恒定或者根據(jù)設(shè)定的曲線進(jìn)行變化，這需要培養(yǎng)箱能自主調(diào)節(jié)箱內(nèi)的二氧化碳的濃度，并能低于或者高于空氣中二氧化碳濃度（400ppm）。
3.常見的低濃度二氧化碳培養(yǎng)箱技術(shù)方案是采用二氧化碳吸附劑循環(huán)過濾箱內(nèi)的氣體，來降低氣體中的二氧化碳濃度。高濃度二氧化碳培養(yǎng)箱技術(shù)方案是通過二氧化碳高壓氣瓶，向培養(yǎng)箱內(nèi)充入二氧化碳?xì)怏w來提高其濃度。
4.在上述低濃度技術(shù)方案中，整個(gè)系統(tǒng)只能主動(dòng)降低箱內(nèi)的二氧化碳濃度，而無法主動(dòng)提高。若在循環(huán)時(shí)吸附過多二氧化碳，造成箱內(nèi)濃度過低，或者設(shè)定值高于箱內(nèi)當(dāng)前值，該方案需要較長的調(diào)節(jié)時(shí)間，甚至無法調(diào)節(jié)至目標(biāo)值，而導(dǎo)致整個(gè)培養(yǎng)箱無法使用。
5.在上述高濃度技術(shù)方案中，若要降低箱內(nèi)的二氧化碳濃度，只能通過往箱內(nèi)充入空氣來實(shí)現(xiàn)，這使得箱內(nèi)的二氧化碳濃度最低只能與空氣相同，約為400ppm，而無法達(dá)到低濃度的要求。同時(shí)，在該專利中，箱內(nèi)與外界大氣之間只有進(jìn)氣口，缺乏出氣口，這在實(shí)際使用時(shí)，會(huì)導(dǎo)致箱內(nèi)氣壓過高，從而無法正常使用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
6.本發(fā)明提出二氧化碳培養(yǎng)箱及其濃度控制方法，將純凈二氧化碳?xì)怏w、空氣以及濾除二氧化碳的空氣（平衡氣）作為培養(yǎng)箱的氣體輸入，通過史密斯預(yù)估控制模塊閉環(huán)控制對(duì)應(yīng)的三個(gè)電磁閥，完成對(duì)箱內(nèi)二氧化碳的高靈敏度控制，能實(shí)現(xiàn)200-10000ppm范圍內(nèi)的二氧化碳濃度精確控制，也可根據(jù)提前設(shè)定的濃度曲線自主調(diào)節(jié)，具有良好的應(yīng)用靈活性。
7.本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。
8.一種二氧化碳培養(yǎng)箱，所述培養(yǎng)箱（20）包括控制器（21），所述控制器（21）用于根據(jù)第一傳感器（16）、第二傳感器（17）與第三傳感器（23）實(shí)時(shí)采集的二氧化碳濃度信號(hào)，控制第一電磁閥（3）、第二電磁閥（5）與第三電磁閥（6）的開啟與關(guān)閉，以調(diào)整所述二氧化碳培養(yǎng)箱的內(nèi)部二氧化碳濃度；所述培養(yǎng)箱進(jìn)氣口與二氧化碳?xì)饴贰⒖諝鈿饴贰⑵胶鈿鈿饴废嗤ǎ凰銎胶鈿鉃闉V除二氧化碳的空氣；所述平衡氣氣路的氣源為與空氣氣路相通的氣體處理裝置；所述氣體處理裝置包括洗氣容器（7）和干燥容器（8）；所述從空氣氣路輸入洗氣容器的空氣，在洗氣容器內(nèi)進(jìn)行二氧化碳清除處理，然后通入干燥容器去除水分以形成平衡氣；所述二氧化碳?xì)饴贰⒖諝鈿饴贰⑵胶鈿鈿饴诽幘O(shè)有用于控制氣路流量且與控制器相連的電磁閥。
9.所述二氧化碳?xì)饴钒ㄒ来芜B接的第一進(jìn)氣管道（12）、第一電磁閥（3）、減壓閥（2）、二氧化碳?xì)馄浚?）；當(dāng)?shù)谝浑姶砰y導(dǎo)通時(shí)，二氧化碳?xì)馄肯蚺囵B(yǎng)箱輸入高壓純凈的二氧
化碳?xì)怏w；所述空氣氣路包括依次連接的第二進(jìn)氣管道（13）、第二電磁閥（5）和氣泵（4）；當(dāng)?shù)诙姶砰y導(dǎo)通后，氣泵向培養(yǎng)箱輸入外部空氣；所述平衡氣氣路包括依次連接的第三進(jìn)氣管道（14）、第三電磁閥（6）、單向閥（9）、氣體處理裝置；所述單向閥位于氣體處理裝置的輸出端處以防止氣體逆流；當(dāng)?shù)谌姶砰y導(dǎo)通后，氣泵向洗氣容器輸入外部空氣，以使氣體處理裝置生成平衡氣并輸入培養(yǎng)箱。
10.所述培養(yǎng)箱包括連接器、進(jìn)氣口（11）和出氣口（18）；連接器（10）的一個(gè)端口與進(jìn)氣口相通，連接器的其余端口還分別與第一進(jìn)氣管道、第二進(jìn)氣管道、第三進(jìn)氣管道相通；所述培養(yǎng)箱頂部設(shè)有用于混合箱內(nèi)氣體的風(fēng)扇（15）；所述出氣口處設(shè)有用于調(diào)節(jié)培養(yǎng)箱內(nèi)氣體輸出的速率的手動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥（19）；所述控制器與觸摸顯示屏（22）相連。
11.所述控制器與培養(yǎng)箱內(nèi)的第一傳感器（16）、第二傳感器（17）相連以實(shí)時(shí)檢測箱內(nèi)二氧化碳濃度并判定箱內(nèi)二氧化碳的混合均勻度，還與氣泵進(jìn)氣口處的第三傳感器（23）相連以實(shí)時(shí)檢測空氣氣路向培養(yǎng)箱輸入空氣的二氧化碳濃度；所述控制器根據(jù)第一傳感器、第二傳感器、第三傳感器的檢測數(shù)據(jù)來控制第一電磁閥、第二電磁閥和第三電磁閥，以對(duì)培養(yǎng)箱內(nèi)二氧化碳?xì)怏w濃度進(jìn)行控制。
12.所述洗氣容器內(nèi)貯有用于吸收二氧化碳的naoh溶液；洗氣容器的進(jìn)氣管出口為多孔結(jié)構(gòu)并浸沒于naoh溶液中；所述干燥容器填充cao晶體。
13.濃度可控的二氧化碳培養(yǎng)箱的控制方法，使用以上所述的培養(yǎng)箱，所述控制方法包括以下內(nèi)容；方法a、初始時(shí)，首先通過控制器，設(shè)定培養(yǎng)箱內(nèi)部所需的二氧化碳濃度c1；其次在每個(gè)控制周期開始時(shí)，以控制器獲取第一傳感器和第二傳感器的檢測數(shù)值，并求取得到兩個(gè)傳感器的二氧化碳濃度平均值c2作為箱內(nèi)當(dāng)前二氧化碳?xì)怏w濃度，同時(shí)獲取第三傳感器的二氧化碳濃度數(shù)值c3；然后控制器通過比對(duì)c1、c2和c3的數(shù)值，確定相應(yīng)的控制方案來控制第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥；方法b、當(dāng)設(shè)定值c1大于等于外界空氣的二氧化碳濃度c3時(shí)，此時(shí)通過注入自然空氣或者純凈二氧化碳來提高箱內(nèi)二氧化碳濃度；注入過程中，當(dāng)設(shè)定值c1比箱內(nèi)濃度平均值c2高且差值在100ppm以上時(shí)，通過控制第一電磁閥注入純凈二氧化碳來快速提高箱內(nèi)濃度；否則通過開啟第二電磁閥注入外部空氣，或是開啟第三電磁閥注入平衡氣，來提高或降低箱內(nèi)二氧化碳濃度，使其穩(wěn)定在設(shè)定值；方法c、當(dāng)設(shè)定值c1小于外界空氣的二氧化碳濃度c3時(shí)，此時(shí)通過注入自然空氣或者不含二氧化碳的空氣來降低箱內(nèi)二氧化碳濃度；注入過程中，當(dāng)箱內(nèi)濃度平均值c2比設(shè)定值c1高且差值100ppm以上時(shí)，通過控制第三電磁閥注入平衡氣來更快降低箱內(nèi)濃度；否者通過開啟第一電磁閥注入二氧化碳，或是開啟第二電磁閥注入外部空氣，來提高或降低箱內(nèi)二氧化碳濃度，使其穩(wěn)定在設(shè)定值。
14.所述控制器在確定完需要控制的電磁閥后，將設(shè)定值c1和濃度平均值c2輸入到史密斯預(yù)估控制模塊中，計(jì)算得出相應(yīng)電磁閥的導(dǎo)通時(shí)間；所述史密斯預(yù)估控制模塊為在傳統(tǒng)pi控制器的兩端引入一個(gè)史密斯預(yù)估器，與pi控制器一起構(gòu)成史密斯預(yù)估控制模塊，用于補(bǔ)償從電磁閥導(dǎo)通輸入氣體到箱內(nèi)氣體混合均勻的滯后對(duì)二氧化碳濃度調(diào)節(jié)形成的誤差，以加快調(diào)節(jié)速度；最后，控制器根據(jù)導(dǎo)通時(shí)間控制電磁閥動(dòng)作，通過三個(gè)進(jìn)氣管道注入
不同二氧化碳濃度的氣體，進(jìn)而調(diào)節(jié)箱內(nèi)的二氧化碳濃度，然后等待下一個(gè)控制周期的到來。
15.所述第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥均為通斷型電磁閥。
16.當(dāng)二氧化碳?xì)馄績?nèi)的二氧化碳經(jīng)減壓閥減壓后氣壓仍偏高時(shí)，采用以下方法來繼續(xù)減壓，即：在控制第一電磁閥時(shí)，控制周期根據(jù)固定導(dǎo)通間隔劃分成多個(gè)時(shí)段，史密斯預(yù)估控制模塊計(jì)算得到的導(dǎo)通時(shí)間被轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的時(shí)段數(shù)，使第一電磁閥僅在這些時(shí)段內(nèi)導(dǎo)通固定的時(shí)長，以少量并多頻次地向培養(yǎng)箱輸出二氧化碳?xì)怏w來減小氣壓；在計(jì)算的導(dǎo)通時(shí)間之外的剩余關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，第一電磁閥會(huì)保持在關(guān)斷狀態(tài)。
17.所述控制器的人機(jī)交互界面包括觸摸顯示屏，當(dāng)在不同時(shí)段需要不同二氧化碳?xì)怏w濃度時(shí)，通過觸摸顯示屏輸入設(shè)定曲線，所述控制器根據(jù)該曲線實(shí)時(shí)調(diào)控所述第一電磁閥（3）、第二電磁閥（5）與第三電磁閥（6），使得箱內(nèi)二氧化碳濃度根據(jù)設(shè)定曲線變化。
18.本發(fā)明將純凈二氧化碳?xì)怏w、空氣以及濾除二氧化碳的空氣作為培養(yǎng)箱的氣體輸入，通過史密斯預(yù)估控制模塊閉環(huán)控制對(duì)應(yīng)的三個(gè)電磁閥，完成對(duì)箱內(nèi)二氧化碳的高靈敏度控制，能實(shí)現(xiàn)200-10000ppm范圍內(nèi)的二氧化碳濃度精確控制，也可根據(jù)提前設(shè)定的濃度曲線自主調(diào)節(jié)，具有良好的應(yīng)用靈活性，相比于現(xiàn)有技術(shù)方案，本發(fā)明既能實(shí)現(xiàn)低濃度控制，也能實(shí)現(xiàn)高濃度控制。
19.本發(fā)明通過分段控制的方式，分段控制3種氣體輸入，額外添加的第三傳感器能保證調(diào)控的有效性；引入史密斯預(yù)估器補(bǔ)償控制過程的純滯后，結(jié)合pi控制器形成史密斯預(yù)估控制模塊，對(duì)于本發(fā)明提出的培養(yǎng)箱技術(shù)方案具有良好的控制效果，同時(shí)能降低耗材的消耗速度，降低使用成本。
20.本發(fā)明在與二氧化碳?xì)馄克B接的第一電磁閥的控制策略上，使用固定導(dǎo)通間隔劃分算法周期，并將計(jì)算得到的導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)行轉(zhuǎn)化，來避免高壓的純二氧化碳?xì)怏w對(duì)箱內(nèi)氣體濃度的沖擊，使得控制過程更加平滑，同時(shí)這種控制方式能采用成本較低的普通通斷電磁閥，能有效降低裝置的制造成本。
21.由于本發(fā)明所提出的技術(shù)方案對(duì)于培養(yǎng)箱的二氧化碳濃度具有良好的可控性，因此在設(shè)置培養(yǎng)箱二氧化碳濃度時(shí)，除了傳統(tǒng)的固定數(shù)值調(diào)控外，還可通過觸摸顯示屏輸入一條設(shè)定曲線，控制器會(huì)根據(jù)該曲線實(shí)時(shí)調(diào)控，使得箱內(nèi)二氧化碳濃度根據(jù)曲線變化，這種調(diào)控方式適用于那些在不同時(shí)段需要不同氣體濃度的生物培養(yǎng)。
22.本發(fā)明利用3種不同二氧化碳濃度的氣體進(jìn)行分段控制的方法，能有效延長如二氧化碳?xì)馄俊⑾礆馄恐惡牟牡氖褂脮r(shí)間，降低整個(gè)裝置的使用成本。同時(shí)，這種分段控制也能讓系統(tǒng)在設(shè)定值收斂時(shí)，波動(dòng)更小，收斂時(shí)間更短。此外，外置的第三傳感器能實(shí)時(shí)采集泵入空氣的二氧化碳濃度，保證經(jīng)過第二進(jìn)氣管道送入的自然空氣對(duì)箱內(nèi)氣體濃度調(diào)控的有效性。
23.應(yīng)當(dāng)理解的是，以上的一般描述和后文的細(xì)節(jié)描述僅是示例性和解釋性的，并不能限制本技術(shù)。
附圖說明
24.下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)的說明：附圖1是本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
附圖2是本發(fā)明的電氣結(jié)構(gòu)示意圖；附圖3是本發(fā)明的控制流程示意圖；附圖4是本發(fā)明的史密斯預(yù)估控制模塊的算法結(jié)構(gòu)示意圖；附圖5是第一電磁閥的導(dǎo)通邏輯示意圖；圖中：1-二氧化碳?xì)馄浚?-減壓閥，3-第一電磁閥，4-氣泵，5-第二電磁閥，6-第三電磁閥，7-洗氣容器，8-干燥容器，9-單向閥，10-連接器，11-進(jìn)氣口，12-第一進(jìn)氣管道，13-第二進(jìn)氣管道，14-第三進(jìn)氣管道，15-風(fēng)扇，16-第一傳感器，17-第二傳感器，18-出氣口，19-手動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥，20-培養(yǎng)箱，21-控制器，22-觸摸顯示屏，23-第三傳感器。
25.應(yīng)當(dāng)理解的是，以上的一般描述和后文的細(xì)節(jié)描述僅是示例性和解釋性的，并不能限制本技術(shù)。
具體實(shí)施方式
26.下面將結(jié)合本技術(shù)實(shí)施例中的附圖，對(duì)本技術(shù)實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本技術(shù)一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本技術(shù)中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本技術(shù)保護(hù)的范圍。
27.附圖中所示的流程圖僅是示例說明，不是必須包括所有的內(nèi)容和操作/步驟，也不是必須按所描述的順序執(zhí)行。例如，有的操作/步驟還可以分解、組合或部分合并，因此實(shí)際執(zhí)行的順序有可能根據(jù)實(shí)際情況改變。
28.應(yīng)當(dāng)理解，在此本技術(shù)說明書中所使用的術(shù)語僅僅是出于描述特定實(shí)施例的目的而并不意在限制本技術(shù)。如在本技術(shù)說明書和所附權(quán)利要求書中所使用的那樣，除非上下文清楚地指明其它情況，否則單數(shù)形式的“一”、“一個(gè)”及“該”意在包括復(fù)數(shù)形式。
29.應(yīng)當(dāng)理解，為了便于清楚描述本技術(shù)實(shí)施例的技術(shù)方案，在本技術(shù)的實(shí)施例中，采用了“第一”、“第二”等字樣對(duì)功能和作用基本相同的相同項(xiàng)或相似項(xiàng)進(jìn)行區(qū)分。例如，第一識(shí)別模型和第二識(shí)別模型僅僅是為了區(qū)分不同的回調(diào)函數(shù)，并不對(duì)其先后順序進(jìn)行限定。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解“第一”、“第二”等字樣并不對(duì)數(shù)量和執(zhí)行次序進(jìn)行限定，并且“第一”、“第二”等字樣也并不限定一定不同。
30.還應(yīng)當(dāng)進(jìn)理解，在本技術(shù)說明書和所附權(quán)利要求書中使用的術(shù)語“和/或”是指相關(guān)聯(lián)列出的項(xiàng)中的一個(gè)或多個(gè)的任何組合以及所有可能組合，并且包括這些組合。
31.為便于理解本技術(shù)實(shí)施例，下面對(duì)本技術(shù)實(shí)施例中涉及到的一些詞匯作簡單說明。
32.1、ppm，parts per million的縮寫，氣體濃度單位，百萬分比。
33.2、洗氣，把混合氣體中雜質(zhì)氣體除去的過程。
34.3、培養(yǎng)箱，是指某個(gè)參數(shù)可調(diào)可控的，主要用于培養(yǎng)微生物、植物和動(dòng)物細(xì)胞的箱體裝置。
35.4、電磁閥，屬于執(zhí)行器，是用電磁控制的工業(yè)設(shè)備，是用來控制流體的自動(dòng)化基礎(chǔ)元件。通斷電磁閥控制只有全開和全閉兩種狀態(tài)。
36.現(xiàn)有的二氧化碳培養(yǎng)箱存在或無法調(diào)低二氧化碳濃度，或破壞空氣中其他氣體組分比例，或二氧化碳控制準(zhǔn)確度和快速性低的缺點(diǎn)。
37.為此，本技術(shù)的實(shí)施例提供了一種二氧化碳培養(yǎng)箱及其濃度控制方法。通過發(fā)明裝置和配套的控制方法，在不改變空氣中其他氣體組分的條件下，靈活的通過洗氣和注入純二氧化碳?xì)怏w調(diào)整培養(yǎng)箱中空氣的二氧化碳濃度，進(jìn)一步發(fā)明了將控制周期根據(jù)固定導(dǎo)通間隔劃分成多個(gè)時(shí)段，控制算法計(jì)算得到的導(dǎo)通時(shí)間會(huì)被轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的時(shí)段數(shù)方法實(shí)現(xiàn)史密斯預(yù)估控制執(zhí)行，保證發(fā)明能夠控制低成本電磁閥通斷實(shí)現(xiàn)在200-10000ppm范圍內(nèi)二氧化碳濃度的準(zhǔn)確快速調(diào)節(jié)。
38.下面結(jié)合附圖，對(duì)本技術(shù)的一些實(shí)施方式作詳細(xì)說明。在不沖突的情況下，下述的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。
39.如圖所示，一種二氧化碳培養(yǎng)箱，所述培養(yǎng)箱20包括控制器21，所述控制器21用于根據(jù)第一傳感器16、第二傳感器17與第三傳感器23實(shí)時(shí)采集的二氧化碳濃度信號(hào)，控制第一電磁閥3、第二電磁閥5與第三電磁閥6的開啟與關(guān)閉，以調(diào)整所述二氧化碳培養(yǎng)箱的內(nèi)部二氧化碳濃度；所述培養(yǎng)箱進(jìn)氣口與二氧化碳?xì)饴贰⒖諝鈿饴贰⑵胶鈿鈿饴废嗤ǎ凰銎胶鈿鉃闉V除二氧化碳的空氣；所述平衡氣氣路的氣源為與空氣氣路相通的氣體處理裝置；所述氣體處理裝置包括洗氣容器7和干燥容器8；所述從空氣氣路輸入洗氣容器的空氣，在洗氣容器內(nèi)進(jìn)行二氧化碳清除處理，然后通入干燥容器去除水分以形成平衡氣；所述二氧化碳?xì)饴贰⒖諝鈿饴贰⑵胶鈿鈿饴诽幘O(shè)有用于控制氣路流量且與控制器相連的電磁閥。
40.所述二氧化碳?xì)饴钒ㄒ来芜B接的第一進(jìn)氣管道12、第一電磁閥3、減壓閥2、二氧化碳?xì)馄?；當(dāng)?shù)谝浑姶砰y導(dǎo)通時(shí)，二氧化碳?xì)馄肯蚺囵B(yǎng)箱輸入高壓純凈的二氧化碳?xì)怏w；所述空氣氣路包括依次連接的第二進(jìn)氣管道13、第二電磁閥5和氣泵4；當(dāng)?shù)诙姶砰y導(dǎo)通后，氣泵向培養(yǎng)箱輸入外部空氣；所述平衡氣氣路包括依次連接的第三進(jìn)氣管道14、第三電磁閥6、單向閥9、氣體處理裝置；所述單向閥位于氣體處理裝置的輸出端處以防止氣體逆流；當(dāng)?shù)谌姶砰y導(dǎo)通后，氣泵向洗氣容器輸入外部空氣，以使氣體處理裝置生成平衡氣并輸入培養(yǎng)箱。
41.所述培養(yǎng)箱包括連接器、進(jìn)氣口11和出氣口18；連接器10的一個(gè)端口與進(jìn)氣口相通，連接器的其余端口還分別與第一進(jìn)氣管道、第二進(jìn)氣管道、第三進(jìn)氣管道相通；所述培養(yǎng)箱頂部設(shè)有用于混合箱內(nèi)氣體的風(fēng)扇15；所述出氣口處設(shè)有用于調(diào)節(jié)培養(yǎng)箱內(nèi)氣體輸出的速率的手動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥19；所述控制器與觸摸顯示屏22相連。
42.所述控制器與培養(yǎng)箱內(nèi)的第一傳感器16、第二傳感器17相連以實(shí)時(shí)檢測箱內(nèi)二氧化碳濃度并判定箱內(nèi)二氧化碳的混合均勻度，還與氣泵進(jìn)氣口處的第三傳感器23相連以實(shí)時(shí)檢測空氣氣路向培養(yǎng)箱輸入空氣的二氧化碳濃度；所述控制器根據(jù)第一傳感器、第二傳感器、第三傳感器的檢測數(shù)據(jù)來控制第一電磁閥、第二電磁閥和第三電磁閥，以對(duì)培養(yǎng)箱內(nèi)二氧化碳?xì)怏w濃度進(jìn)行控制。
43.所述洗氣容器內(nèi)貯有用于吸收二氧化碳的naoh溶液；洗氣容器的進(jìn)氣管出口為多孔結(jié)構(gòu)并浸沒于naoh溶液中；所述干燥容器填充cao晶體。
44.發(fā)明提出的裝置，能夠不改變空氣中其他氣體組分的條件下，靈活的通過洗氣和注入純二氧化碳?xì)怏w，在200-10000ppm范圍內(nèi)調(diào)整培養(yǎng)箱中空氣的二氧化碳濃度。
45.濃度可控的二氧化碳培養(yǎng)箱的控制方法，使用以上所述的培養(yǎng)箱，所述控制方法包括以下內(nèi)容；方法a、初始時(shí)，首先通過控制器，設(shè)定培養(yǎng)箱內(nèi)部所需的二氧化碳濃度c1；其次在
每個(gè)控制周期開始時(shí)，以控制器獲取第一傳感器和第二傳感器的檢測數(shù)值，并求取得到兩個(gè)傳感器的二氧化碳濃度平均值c2作為箱內(nèi)當(dāng)前二氧化碳?xì)怏w濃度，同時(shí)獲取第三傳感器的二氧化碳濃度數(shù)值c3；然后控制器通過比對(duì)c1、c2和c3的數(shù)值，確定相應(yīng)的控制方案來控制第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥；方法b、當(dāng)設(shè)定值c1大于等于外界空氣的二氧化碳濃度c3時(shí)，此時(shí)通過注入自然空氣或者純凈二氧化碳來提高箱內(nèi)二氧化碳濃度；注入過程中，當(dāng)設(shè)定值c1比箱內(nèi)濃度平均值c2高且差值在100ppm以上時(shí)，通過控制第一電磁閥注入純凈二氧化碳來快速提高箱內(nèi)濃度；否則通過開啟第二電磁閥注入外部空氣，或是開啟第三電磁閥注入平衡氣，來提高或降低箱內(nèi)二氧化碳濃度，使其穩(wěn)定在設(shè)定值；方法c、當(dāng)設(shè)定值c1小于外界空氣的二氧化碳濃度c3時(shí)，此時(shí)通過注入自然空氣或者不含二氧化碳的空氣來降低箱內(nèi)二氧化碳濃度；注入過程中，當(dāng)箱內(nèi)濃度平均值c2比設(shè)定值c1高且差值100ppm以上時(shí)，通過控制第三電磁閥注入平衡氣來更快降低箱內(nèi)濃度；否者通過開啟第一電磁閥注入二氧化碳，或是開啟第二電磁閥注入外部空氣，來提高或降低箱內(nèi)二氧化碳濃度，使其穩(wěn)定在設(shè)定值。
46.所述控制器在確定完需要控制的電磁閥后，將設(shè)定值c1和濃度平均值c2輸入到史密斯預(yù)估控制模塊中，計(jì)算得出相應(yīng)電磁閥的導(dǎo)通時(shí)間；所述史密斯預(yù)估控制模塊為在傳統(tǒng)pi控制器的兩端引入一個(gè)史密斯預(yù)估器，與pi控制器一起構(gòu)成史密斯預(yù)估控制模塊，用于補(bǔ)償從電磁閥導(dǎo)通輸入氣體到箱內(nèi)氣體混合均勻的滯后對(duì)二氧化碳濃度調(diào)節(jié)形成的誤差，以加快調(diào)節(jié)速度；最后，控制器根據(jù)導(dǎo)通時(shí)間控制電磁閥動(dòng)作，通過三個(gè)進(jìn)氣管道注入不同二氧化碳濃度的氣體，進(jìn)而調(diào)節(jié)箱內(nèi)的二氧化碳濃度，然后等待下一個(gè)控制周期的到來。
47.所述第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥均為通斷型電磁閥。
48.當(dāng)二氧化碳?xì)馄績?nèi)的二氧化碳經(jīng)減壓閥減壓后氣壓仍偏高時(shí)，采用以下方法來繼續(xù)減壓，即：在控制第一電磁閥時(shí)，控制周期根據(jù)固定導(dǎo)通間隔劃分成多個(gè)時(shí)段，史密斯預(yù)估控制模塊計(jì)算得到的導(dǎo)通時(shí)間被轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的時(shí)段數(shù)，使第一電磁閥僅在這些時(shí)段內(nèi)導(dǎo)通固定的時(shí)長，以少量并多頻次地向培養(yǎng)箱輸出二氧化碳?xì)怏w來減小氣壓；在計(jì)算的導(dǎo)通時(shí)間之外的剩余關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，第一電磁閥會(huì)保持在關(guān)斷狀態(tài)。
49.所述控制器的人機(jī)交互界面包括觸摸顯示屏，當(dāng)在不同時(shí)段需要不同二氧化碳?xì)怏w濃度時(shí)，通過觸摸顯示屏輸入設(shè)定曲線，所述控制器根據(jù)該曲線實(shí)時(shí)調(diào)控所述第一電磁閥（3）、第二電磁閥（5）與第三電磁閥（6），使得箱內(nèi)二氧化碳濃度根據(jù)設(shè)定曲線變化。
50.本例中，外界空氣經(jīng)過洗氣瓶去除所含的二氧化碳，然后經(jīng)過干燥瓶去除洗氣瓶帶來的多余水分，使第三進(jìn)氣管道可以向培養(yǎng)箱內(nèi)輸入不含二氧化碳的自然空氣（即平衡氣）。在洗氣容器內(nèi)裝有半瓶濃度為75g/l的naoh溶液，洗氣瓶進(jìn)氣管沉沒在溶液中，其管口具有多孔結(jié)構(gòu)，能讓通入的空氣細(xì)分，使所含二氧化碳與naoh溶液充分反應(yīng)；干燥容器內(nèi)裝滿cao晶體；單向閥可以防止其他管路中的氣體逆流到干燥瓶和洗氣瓶中。
51.本例中，出氣口連接有手動(dòng)比例調(diào)節(jié)閥，用于調(diào)節(jié)培養(yǎng)箱內(nèi)氣體輸出的速率，通常設(shè)置在百分50的位置。
52.在控制算法中，由于從電磁閥導(dǎo)通輸入氣體到箱內(nèi)氣體混合均勻需要一定的時(shí)間，這種時(shí)滯性使得傳統(tǒng)pid的應(yīng)用效果較差。如圖4所示，為了提高控制效果，本發(fā)明在傳
統(tǒng)pi控制器的兩端引入一個(gè)史密斯預(yù)估器，與pi控制器一起構(gòu)成史密斯預(yù)估控制模塊，來補(bǔ)償這種純滯后對(duì)二氧化碳濃度調(diào)節(jié)的不利影響，加快調(diào)節(jié)速度。
53.為了降低成本，本發(fā)明采用了成本較低的通斷型電磁閥，由于這種電磁閥的導(dǎo)通和關(guān)斷都需要一定的時(shí)間，由于二氧化碳?xì)馄績?nèi)的二氧化碳濃度和氣壓都很高，即使經(jīng)過減壓閥后，氣壓也仍具有較高數(shù)值，若讓第一電磁閥在計(jì)算的導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)完全導(dǎo)通，大量高壓的純二氧化碳?xì)怏w涌入會(huì)給培養(yǎng)箱內(nèi)部氣體濃度帶來沖擊，導(dǎo)致控制過程的不平滑。因此，本發(fā)明提出了如圖5所示的導(dǎo)通邏輯，并將其應(yīng)用在第一電磁閥的控制上。本發(fā)明將控制周期根據(jù)固定導(dǎo)通間隔劃分成多個(gè)時(shí)段，控制算法計(jì)算得到的導(dǎo)通時(shí)間會(huì)被轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的時(shí)段數(shù)，在這些時(shí)段內(nèi)，第一電磁閥只會(huì)導(dǎo)通固定時(shí)間；在計(jì)算的導(dǎo)通時(shí)間之外的剩余關(guān)斷時(shí)間內(nèi)，第一電磁閥會(huì)保持在關(guān)斷狀態(tài)。這種控制方法也變相降低了二氧化碳?xì)馄康恼w輸出氣壓，能避免高壓的純二氧化碳?xì)怏w給培養(yǎng)箱內(nèi)部氣體濃度帶來沖擊，同時(shí)實(shí)現(xiàn)過程可以采用成本較低的通斷型電磁閥實(shí)現(xiàn)。
54.發(fā)明提出的控制模塊和實(shí)施方法能夠低成本、準(zhǔn)確、快速的響應(yīng)二氧化碳濃度設(shè)定。
55.以上所述，僅為本技術(shù)的具體實(shí)施方式，但本技術(shù)的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本技術(shù)揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到各種等效的修改或替換，這些修改或替換都應(yīng)涵蓋在本技術(shù)的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本技術(shù)的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
