NMR (Nuclear Magnetic Resonance,核磁共振)谱仪被公认为是一种极为重要的分析和研究工具,其发展和应用受到越来越多的关注。气动温控单元作为液体谱仪的一个功能部件,完成样品的进样、出样、旋转和变温操作；MAS转速控制单元用于高场...
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NMR (Nuclear Magnetic Resonance,核磁共振)谱仪被公认为是一种极为重要的分析和研究工具,其发展和应用受到越来越多的关注。气动温控单元作为液体谱仪的一个功能部件,完成样品的进样、出样、旋转和变温操作；MAS转速控制单元用于高场固体谱仪,保证样品高速的魔角旋转。二者都是谱仪整机系统不可或缺的功能单元,保证了NMR实验的顺利进行。
现代化核磁共振谱仪要求具有自动化、智能化的特性,PID(Proportional, Integral and Derivative,比例,积分,微分)算法在其中的应用为实现这一目标提供了有力的辅助。将PID控制算法应用到气动温控单元和MAS转速控制单元中实现高精度、高稳定性的智能化控制,促进了谱仪整机系统的智能化程度。本文以核磁共振谱仪研发项目为背景,提出了基于PID控制算法的气动温控单元和MAS(Magic Angle Spinning,魔角旋转)转速控制单元的设计方案,具体的研究结果有：
(1)设计了气动温控单元,实现样品的进样、出样和旋转和变温功能。两个模块集成到一个机箱,以STM32单片机作为主控制器,内嵌CAN (Control Area Network,控制器局域网)总线接口用以与整机系统进行通信。PID控制算法在嵌入式程序中实现,经反复比较实际采样值和用户设定值得到偏差,对偏差进行比例、积分、微分运算后线性组合构成控制量输出给执行机构。为提高控制性能,提出了改进的分段式PID控制,使系统有更好的响应速度和稳态特性。
(2)设计了MAS转速控制单元,从硬件功能连接和软件设计上分别构成双闭环控制系统。STM32单片机运行控制算法、配置其他功能器件、存储数据并完成通信。实时采样转速与设定的转速值的偏差,同时检测实际气流压力与理论计算值的差距,通过PID控制算法得出控制量,改变阀门开启程度进而改变转子转速。提出了分段自整定的PID控制方案,将参数值预先设定为表格,运行过程中通过判断偏差和偏差变化率的取值区间,查表获得参数值,实现在线自整定,使得控制器有更好的适用性,进一步提高仪器静动态性能。
测试结果表明,本文所设计的气动温控单元和MAS转度控制单元能够按照预期指标完成功能,并具有良好的性能。
本文最后对研究工作进行了总结并对下一步的改进提出展望。
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