二氧化碳培养箱及其浓度控制方法
1.本发明涉及动植物培养箱技术领域，尤其是二氧化碳培养箱及其浓度控制方法。
背景技术：
2.在农业和生命科学研究、生产中，通常采用气体培养箱来获得生物体在某些气体设定浓度下的生长数据和结果，二氧化碳培养箱就是其中常见的一种。在培养过程中，要求箱内的二氧化碳浓度保持恒定或者根据设定的曲线进行变化，这需要培养箱能自主调节箱内的二氧化碳的浓度，并能低于或者高于空气中二氧化碳浓度（400ppm）。
3.常见的低浓度二氧化碳培养箱技术方案是采用二氧化碳吸附剂循环过滤箱内的气体，来降低气体中的二氧化碳浓度。高浓度二氧化碳培养箱技术方案是通过二氧化碳高压气瓶，向培养箱内充入二氧化碳气体来提高其浓度。
4.在上述低浓度技术方案中，整个系统只能主动降低箱内的二氧化碳浓度，而无法主动提高。若在循环时吸附过多二氧化碳，造成箱内浓度过低，或者设定值高于箱内当前值，该方案需要较长的调节时间，甚至无法调节至目标值，而导致整个培养箱无法使用。
5.在上述高浓度技术方案中，若要降低箱内的二氧化碳浓度，只能通过往箱内充入空气来实现，这使得箱内的二氧化碳浓度最低只能与空气相同，约为400ppm，而无法达到低浓度的要求。同时，在该专利中，箱内与外界大气之间只有进气口，缺乏出气口，这在实际使用时，会导致箱内气压过高，从而无法正常使用。
技术实现要素：
6.本发明提出二氧化碳培养箱及其浓度控制方法，将纯净二氧化碳气体、空气以及滤除二氧化碳的空气（平衡气）作为培养箱的气体输入，通过史密斯预估控制模块闭环控制对应的三个电磁阀，完成对箱内二氧化碳的高灵敏度控制，能实现200-10000ppm范围内的二氧化碳浓度精确控制，也可根据提前设定的浓度曲线自主调节，具有良好的应用灵活性。
7.本发明采用以下技术方案。
8.一种二氧化碳培养箱，所述培养箱（20）包括控制器（21），所述控制器（21）用于根据第一传感器（16）、第二传感器（17）与第三传感器（23）实时采集的二氧化碳浓度信号，控制第一电磁阀（3）、第二电磁阀（5）与第三电磁阀（6）的开启与关闭，以调整所述二氧化碳培养箱的内部二氧化碳浓度；所述培养箱进气口与二氧化碳气路、空气气路、平衡气气路相通；所述平衡气为滤除二氧化碳的空气；所述平衡气气路的气源为与空气气路相通的气体处理装置；所述气体处理装置包括洗气容器（7）和干燥容器（8）；所述从空气气路输入洗气容器的空气，在洗气容器内进行二氧化碳清除处理，然后通入干燥容器去除水分以形成平衡气；所述二氧化碳气路、空气气路、平衡气气路处均设有用于控制气路流量且与控制器相连的电磁阀。
9.所述二氧化碳气路包括依次连接的第一进气管道（12）、第一电磁阀（3）、减压阀（2）、二氧化碳气瓶（1）；当第一电磁阀导通时，二氧化碳气瓶向培养箱输入高压纯净的二氧
化碳气体；所述空气气路包括依次连接的第二进气管道（13）、第二电磁阀（5）和气泵（4）；当第二电磁阀导通后，气泵向培养箱输入外部空气；所述平衡气气路包括依次连接的第三进气管道（14）、第三电磁阀（6）、单向阀（9）、气体处理装置；所述单向阀位于气体处理装置的输出端处以防止气体逆流；当第三电磁阀导通后，气泵向洗气容器输入外部空气，以使气体处理装置生成平衡气并输入培养箱。
10.所述培养箱包括连接器、进气口（11）和出气口（18）；连接器（10）的一个端口与进气口相通，连接器的其余端口还分别与第一进气管道、第二进气管道、第三进气管道相通；所述培养箱顶部设有用于混合箱内气体的风扇（15）；所述出气口处设有用于调节培养箱内气体输出的速率的手动比例调节阀（19）；所述控制器与触摸显示屏（22）相连。
11.所述控制器与培养箱内的第一传感器（16）、第二传感器（17）相连以实时检测箱内二氧化碳浓度并判定箱内二氧化碳的混合均匀度，还与气泵进气口处的第三传感器（23）相连以实时检测空气气路向培养箱输入空气的二氧化碳浓度；所述控制器根据第一传感器、第二传感器、第三传感器的检测数据来控制第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀，以对培养箱内二氧化碳气体浓度进行控制。
12.所述洗气容器内贮有用于吸收二氧化碳的naoh溶液；洗气容器的进气管出口为多孔结构并浸没于naoh溶液中；所述干燥容器填充cao晶体。
13.浓度可控的二氧化碳培养箱的控制方法，使用以上所述的培养箱，所述控制方法包括以下内容；方法a、初始时，首先通过控制器，设定培养箱内部所需的二氧化碳浓度c1；其次在每个控制周期开始时，以控制器获取第一传感器和第二传感器的检测数值，并求取得到两个传感器的二氧化碳浓度平均值c2作为箱内当前二氧化碳气体浓度，同时获取第三传感器的二氧化碳浓度数值c3；然后控制器通过比对c1、c2和c3的数值，确定相应的控制方案来控制第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀；方法b、当设定值c1大于等于外界空气的二氧化碳浓度c3时，此时通过注入自然空气或者纯净二氧化碳来提高箱内二氧化碳浓度；注入过程中，当设定值c1比箱内浓度平均值c2高且差值在100ppm以上时，通过控制第一电磁阀注入纯净二氧化碳来快速提高箱内浓度；否则通过开启第二电磁阀注入外部空气，或是开启第三电磁阀注入平衡气，来提高或降低箱内二氧化碳浓度，使其稳定在设定值；方法c、当设定值c1小于外界空气的二氧化碳浓度c3时，此时通过注入自然空气或者不含二氧化碳的空气来降低箱内二氧化碳浓度；注入过程中，当箱内浓度平均值c2比设定值c1高且差值100ppm以上时，通过控制第三电磁阀注入平衡气来更快降低箱内浓度；否者通过开启第一电磁阀注入二氧化碳，或是开启第二电磁阀注入外部空气，来提高或降低箱内二氧化碳浓度，使其稳定在设定值。
14.所述控制器在确定完需要控制的电磁阀后，将设定值c1和浓度平均值c2输入到史密斯预估控制模块中，计算得出相应电磁阀的导通时间；所述史密斯预估控制模块为在传统pi控制器的两端引入一个史密斯预估器，与pi控制器一起构成史密斯预估控制模块，用于补偿从电磁阀导通输入气体到箱内气体混合均匀的滞后对二氧化碳浓度调节形成的误差，以加快调节速度；最后，控制器根据导通时间控制电磁阀动作，通过三个进气管道注入
不同二氧化碳浓度的气体，进而调节箱内的二氧化碳浓度，然后等待下一个控制周期的到来。
15.所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀均为通断型电磁阀。
16.当二氧化碳气瓶内的二氧化碳经减压阀减压后气压仍偏高时，采用以下方法来继续减压，即：在控制第一电磁阀时，控制周期根据固定导通间隔划分成多个时段，史密斯预估控制模块计算得到的导通时间被转化成相应的时段数，使第一电磁阀仅在这些时段内导通固定的时长，以少量并多频次地向培养箱输出二氧化碳气体来减小气压；在计算的导通时间之外的剩余关断时间内，第一电磁阀会保持在关断状态。
17.所述控制器的人机交互界面包括触摸显示屏，当在不同时段需要不同二氧化碳气体浓度时，通过触摸显示屏输入设定曲线，所述控制器根据该曲线实时调控所述第一电磁阀（3）、第二电磁阀（5）与第三电磁阀（6），使得箱内二氧化碳浓度根据设定曲线变化。
18.本发明将纯净二氧化碳气体、空气以及滤除二氧化碳的空气作为培养箱的气体输入，通过史密斯预估控制模块闭环控制对应的三个电磁阀，完成对箱内二氧化碳的高灵敏度控制，能实现200-10000ppm范围内的二氧化碳浓度精确控制，也可根据提前设定的浓度曲线自主调节，具有良好的应用灵活性，相比于现有技术方案，本发明既能实现低浓度控制，也能实现高浓度控制。
19.本发明通过分段控制的方式，分段控制3种气体输入，额外添加的第三传感器能保证调控的有效性；引入史密斯预估器补偿控制过程的纯滞后，结合pi控制器形成史密斯预估控制模块，对于本发明提出的培养箱技术方案具有良好的控制效果，同时能降低耗材的消耗速度，降低使用成本。
20.本发明在与二氧化碳气瓶所连接的第一电磁阀的控制策略上，使用固定导通间隔划分算法周期，并将计算得到的导通时间进行转化，来避免高压的纯二氧化碳气体对箱内气体浓度的冲击，使得控制过程更加平滑，同时这种控制方式能采用成本较低的普通通断电磁阀，能有效降低装置的制造成本。
21.由于本发明所提出的技术方案对于培养箱的二氧化碳浓度具有良好的可控性，因此在设置培养箱二氧化碳浓度时，除了传统的固定数值调控外，还可通过触摸显示屏输入一条设定曲线，控制器会根据该曲线实时调控，使得箱内二氧化碳浓度根据曲线变化，这种调控方式适用于那些在不同时段需要不同气体浓度的生物培养。
22.本发明利用3种不同二氧化碳浓度的气体进行分段控制的方法，能有效延长如二氧化碳气瓶、洗气瓶之类耗材的使用时间，降低整个装置的使用成本。同时，这种分段控制也能让系统在设定值收敛时，波动更小，收敛时间更短。此外，外置的第三传感器能实时采集泵入空气的二氧化碳浓度，保证经过第二进气管道送入的自然空气对箱内气体浓度调控的有效性。
23.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
24.下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：附图1是本发明的装置结构示意图；
附图2是本发明的电气结构示意图；附图3是本发明的控制流程示意图；附图4是本发明的史密斯预估控制模块的算法结构示意图；附图5是第一电磁阀的导通逻辑示意图；图中：1-二氧化碳气瓶，2-减压阀，3-第一电磁阀，4-气泵，5-第二电磁阀，6-第三电磁阀，7-洗气容器，8-干燥容器，9-单向阀，10-连接器，11-进气口，12-第一进气管道，13-第二进气管道，14-第三进气管道，15-风扇，16-第一传感器，17-第二传感器，18-出气口，19-手动比例调节阀，20-培养箱，21-控制器，22-触摸显示屏，23-第三传感器。
25.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
具体实施方式
26.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
27.附图中所示的流程图仅是示例说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解、组合或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
28.应当理解，在此本技术说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本技术。如在本技术说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
29.应当理解，为了便于清楚描述本技术实施例的技术方案，在本技术的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一识别模型和第二识别模型仅仅是为了区分不同的回调函数，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。
30.还应当进理解，在本技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
31.为便于理解本技术实施例，下面对本技术实施例中涉及到的一些词汇作简单说明。
32.1、ppm，parts per million的缩写，气体浓度单位，百万分比。
33.2、洗气，把混合气体中杂质气体除去的过程。
34.3、培养箱，是指某个参数可调可控的，主要用于培养微生物、植物和动物细胞的箱体装置。
35.4、电磁阀，属于执行器，是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件。通断电磁阀控制只有全开和全闭两种状态。
36.现有的二氧化碳培养箱存在或无法调低二氧化碳浓度，或破坏空气中其他气体组分比例，或二氧化碳控制准确度和快速性低的缺点。
37.为此，本技术的实施例提供了一种二氧化碳培养箱及其浓度控制方法。通过发明装置和配套的控制方法，在不改变空气中其他气体组分的条件下，灵活的通过洗气和注入纯二氧化碳气体调整培养箱中空气的二氧化碳浓度，进一步发明了将控制周期根据固定导通间隔划分成多个时段，控制算法计算得到的导通时间会被转化成相应的时段数方法实现史密斯预估控制执行，保证发明能够控制低成本电磁阀通断实现在200-10000ppm范围内二氧化碳浓度的准确快速调节。
38.下面结合附图，对本技术的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
39.如图所示，一种二氧化碳培养箱，所述培养箱20包括控制器21，所述控制器21用于根据第一传感器16、第二传感器17与第三传感器23实时采集的二氧化碳浓度信号，控制第一电磁阀3、第二电磁阀5与第三电磁阀6的开启与关闭，以调整所述二氧化碳培养箱的内部二氧化碳浓度；所述培养箱进气口与二氧化碳气路、空气气路、平衡气气路相通；所述平衡气为滤除二氧化碳的空气；所述平衡气气路的气源为与空气气路相通的气体处理装置；所述气体处理装置包括洗气容器7和干燥容器8；所述从空气气路输入洗气容器的空气，在洗气容器内进行二氧化碳清除处理，然后通入干燥容器去除水分以形成平衡气；所述二氧化碳气路、空气气路、平衡气气路处均设有用于控制气路流量且与控制器相连的电磁阀。
40.所述二氧化碳气路包括依次连接的第一进气管道12、第一电磁阀3、减压阀2、二氧化碳气瓶1；当第一电磁阀导通时，二氧化碳气瓶向培养箱输入高压纯净的二氧化碳气体；所述空气气路包括依次连接的第二进气管道13、第二电磁阀5和气泵4；当第二电磁阀导通后，气泵向培养箱输入外部空气；所述平衡气气路包括依次连接的第三进气管道14、第三电磁阀6、单向阀9、气体处理装置；所述单向阀位于气体处理装置的输出端处以防止气体逆流；当第三电磁阀导通后，气泵向洗气容器输入外部空气，以使气体处理装置生成平衡气并输入培养箱。
41.所述培养箱包括连接器、进气口11和出气口18；连接器10的一个端口与进气口相通，连接器的其余端口还分别与第一进气管道、第二进气管道、第三进气管道相通；所述培养箱顶部设有用于混合箱内气体的风扇15；所述出气口处设有用于调节培养箱内气体输出的速率的手动比例调节阀19；所述控制器与触摸显示屏22相连。
42.所述控制器与培养箱内的第一传感器16、第二传感器17相连以实时检测箱内二氧化碳浓度并判定箱内二氧化碳的混合均匀度，还与气泵进气口处的第三传感器23相连以实时检测空气气路向培养箱输入空气的二氧化碳浓度；所述控制器根据第一传感器、第二传感器、第三传感器的检测数据来控制第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀，以对培养箱内二氧化碳气体浓度进行控制。
43.所述洗气容器内贮有用于吸收二氧化碳的naoh溶液；洗气容器的进气管出口为多孔结构并浸没于naoh溶液中；所述干燥容器填充cao晶体。
44.发明提出的装置，能够不改变空气中其他气体组分的条件下，灵活的通过洗气和注入纯二氧化碳气体，在200-10000ppm范围内调整培养箱中空气的二氧化碳浓度。
45.浓度可控的二氧化碳培养箱的控制方法，使用以上所述的培养箱，所述控制方法包括以下内容；方法a、初始时，首先通过控制器，设定培养箱内部所需的二氧化碳浓度c1；其次在
每个控制周期开始时，以控制器获取第一传感器和第二传感器的检测数值，并求取得到两个传感器的二氧化碳浓度平均值c2作为箱内当前二氧化碳气体浓度，同时获取第三传感器的二氧化碳浓度数值c3；然后控制器通过比对c1、c2和c3的数值，确定相应的控制方案来控制第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀；方法b、当设定值c1大于等于外界空气的二氧化碳浓度c3时，此时通过注入自然空气或者纯净二氧化碳来提高箱内二氧化碳浓度；注入过程中，当设定值c1比箱内浓度平均值c2高且差值在100ppm以上时，通过控制第一电磁阀注入纯净二氧化碳来快速提高箱内浓度；否则通过开启第二电磁阀注入外部空气，或是开启第三电磁阀注入平衡气，来提高或降低箱内二氧化碳浓度，使其稳定在设定值；方法c、当设定值c1小于外界空气的二氧化碳浓度c3时，此时通过注入自然空气或者不含二氧化碳的空气来降低箱内二氧化碳浓度；注入过程中，当箱内浓度平均值c2比设定值c1高且差值100ppm以上时，通过控制第三电磁阀注入平衡气来更快降低箱内浓度；否者通过开启第一电磁阀注入二氧化碳，或是开启第二电磁阀注入外部空气，来提高或降低箱内二氧化碳浓度，使其稳定在设定值。
46.所述控制器在确定完需要控制的电磁阀后，将设定值c1和浓度平均值c2输入到史密斯预估控制模块中，计算得出相应电磁阀的导通时间；所述史密斯预估控制模块为在传统pi控制器的两端引入一个史密斯预估器，与pi控制器一起构成史密斯预估控制模块，用于补偿从电磁阀导通输入气体到箱内气体混合均匀的滞后对二氧化碳浓度调节形成的误差，以加快调节速度；最后，控制器根据导通时间控制电磁阀动作，通过三个进气管道注入不同二氧化碳浓度的气体，进而调节箱内的二氧化碳浓度，然后等待下一个控制周期的到来。
47.所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀均为通断型电磁阀。
48.当二氧化碳气瓶内的二氧化碳经减压阀减压后气压仍偏高时，采用以下方法来继续减压，即：在控制第一电磁阀时，控制周期根据固定导通间隔划分成多个时段，史密斯预估控制模块计算得到的导通时间被转化成相应的时段数，使第一电磁阀仅在这些时段内导通固定的时长，以少量并多频次地向培养箱输出二氧化碳气体来减小气压；在计算的导通时间之外的剩余关断时间内，第一电磁阀会保持在关断状态。
49.所述控制器的人机交互界面包括触摸显示屏，当在不同时段需要不同二氧化碳气体浓度时，通过触摸显示屏输入设定曲线，所述控制器根据该曲线实时调控所述第一电磁阀（3）、第二电磁阀（5）与第三电磁阀（6），使得箱内二氧化碳浓度根据设定曲线变化。
50.本例中，外界空气经过洗气瓶去除所含的二氧化碳，然后经过干燥瓶去除洗气瓶带来的多余水分，使第三进气管道可以向培养箱内输入不含二氧化碳的自然空气（即平衡气）。在洗气容器内装有半瓶浓度为75g/l的naoh溶液，洗气瓶进气管沉没在溶液中，其管口具有多孔结构，能让通入的空气细分，使所含二氧化碳与naoh溶液充分反应；干燥容器内装满cao晶体；单向阀可以防止其他管路中的气体逆流到干燥瓶和洗气瓶中。
51.本例中，出气口连接有手动比例调节阀，用于调节培养箱内气体输出的速率，通常设置在百分50的位置。
52.在控制算法中，由于从电磁阀导通输入气体到箱内气体混合均匀需要一定的时间，这种时滞性使得传统pid的应用效果较差。如图4所示，为了提高控制效果，本发明在传
统pi控制器的两端引入一个史密斯预估器，与pi控制器一起构成史密斯预估控制模块，来补偿这种纯滞后对二氧化碳浓度调节的不利影响，加快调节速度。
53.为了降低成本，本发明采用了成本较低的通断型电磁阀，由于这种电磁阀的导通和关断都需要一定的时间，由于二氧化碳气瓶内的二氧化碳浓度和气压都很高，即使经过减压阀后，气压也仍具有较高数值，若让第一电磁阀在计算的导通时间内完全导通，大量高压的纯二氧化碳气体涌入会给培养箱内部气体浓度带来冲击，导致控制过程的不平滑。因此，本发明提出了如图5所示的导通逻辑，并将其应用在第一电磁阀的控制上。本发明将控制周期根据固定导通间隔划分成多个时段，控制算法计算得到的导通时间会被转化成相应的时段数，在这些时段内，第一电磁阀只会导通固定时间；在计算的导通时间之外的剩余关断时间内，第一电磁阀会保持在关断状态。这种控制方法也变相降低了二氧化碳气瓶的整体输出气压，能避免高压的纯二氧化碳气体给培养箱内部气体浓度带来冲击，同时实现过程可以采用成本较低的通断型电磁阀实现。
54.发明提出的控制模块和实施方法能够低成本、准确、快速的响应二氧化碳浓度设定。
55.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
