一、PID 控制原理概述

1. 比例（P）
   比例环节根据偏差（设定值与实际测量值之差）按比例给出控制量输出。P 值越大，响应越快，但系统易发生超调与振荡。

2. 积分（I）
   积分环节对历史误差累积求和，用于消除稳态偏差。I 值过大会造成系统迟滞甚至失控；过小则稳态误差难以消除。

3. 微分（D）
   微分环节对误差变化率进行预测性校正，可抑制快速扰动与振荡，但对噪声极为敏感，D 值过大会放大测量噪声。

4. 三者配合
   设定合适的 PID 参数组合，方能兼顾响应速度、稳态精度与系统稳定性。理论调参需结合响应曲线（阶跃响应、扰动响应）与频域分析（相位裕度、增益裕度）进行。

二、150i 固件与出厂调校原则

Thermo Fisher 150i 型培养箱在出厂时已对温度与 CO₂ 控制器进行标定与 PID 调参，以达到以下目标：

• 温度控制：典型设定点 37.0 °C 时，±0.1 °C 以内稳态波动；快速恢复门开闭扰动后的温度偏差。

• CO₂ 控制：典型设定 5.0% CO₂ 时，±0.1% 以内稳态误差；门禁后快速补偿回稳。

• 湿度控制：利用水盘、加热盘与湿度传感器三级环路，确保 >95% 相对湿度，扰动后 10 min 内恢复至设定范围。

• 算法优化：通过大量实验室老化测试，完成 P、I、D 三系数的多工况标定，避免在用户环境中出现振荡或迟滞。

根据官方技术手册，Nominal calibrations are performed at the factory; typically ±1°C for temperature, ±1% for gases, and ±5% for humidity；如需更精细调节，须由授权服务工程师通过专用工具和测试台进行assets.thermofisher.com。

三、用户界面与参数可视范围

150i 搭载 iCAN™ 触摸屏操作界面，可在运行模式（Run）与设定模式（Config）之间切换，用户可自行修改的参数主要包括：

• 温度设定值（Setpoint）：直接在主面板调整，范围 Ambient+3 °C ～ 55 °C。

• CO₂ 设定值：0 ～ 20% 范围内可调。

• 报警限值：温度与 CO₂ 的高低报警偏差上下限。

• 校准偏移：对 CO₂ 传感器与温度探头进行简易校准。

以上均属于闭环控制“目标值”与报警逻辑设置，并非 PID 算法中的 P、I、D 系数。触摸屏界面并未提供直接进入 PID 调参的选项；即使进入高级服务模式，也仅能查看当前控制环路状态与报警历史，不允许更改 PID 参数。

四、为何限制用户自行调节

1. 保障系统稳定性
   用户调节 PID 参数可能因经验不足导致超调或振荡，造成温度/CO₂ 波动加剧，影响细胞健康。

2. 避免设备损伤
   错误的 PID 组合可能使加热器或 CO₂ 阀门长时间频繁开闭，缩短元件寿命，甚至引发故障。

3. 质量与合规性
   培养箱作为实验室关键设备，其控制性能需符合 ISO 9001、ISO 13485 等质量管理体系要求；出厂锁定 PID 参数可保证性能一致性与可追溯性。

4. 维护与保修
   私自调参后出现问题，难以判断故障来源；及会影响售后保修条款。

五、服务工程师调节与技术支持

若实验室确有特殊需求（如极端温度速率实验、超低 CO₂ 干扰测试），可联系 Thermo Fisher 授权服务团队：

1. 专用服务软件

• 通过 USB 或 Ethernet 连入设备，启动 Service Mode，进入 PID 参数菜单。

• 仅授权工程师使用的 Profile 包括温度环路 P/I/D、CO₂环路 P/I/D、湿度环路 P/I/D 等多级参数。

2. 实验室测试台

• 将培养箱置于气候室或配合标准箱体，对升温/降温速率、气体稳定性进行阶跃响应测试。

• 通过测量曲线拟合，获得最佳 PID 系数，并写入非易失性存储器。

3. 风险评估与回滚

• 服务完成后需进行完整的功能验证，包含 24 h 连续运行监控、风险文档更新、用户签字确认；

• 若参数调整效果不佳，可随时通过“恢复出厂设置”功能一键回滚。

六、自主校准与补偿策略

虽然普通用户无法直接修改 PID 系数，但可通过以下“补偿”手段改善控制精度：

1. 设定更灵敏的报警范围

• 将高/低报警偏差调整至 ±0.5 °C / ±0.5% CO₂，以便在微小偏离时立即收到警报并介入。

2. 周期性偏移校准

• 定期使用 NIST 溯源温度计与 CO₂ 标气对设备进行偏移校准，最小化测量误差。

3. 环境抑制扰动

• 将培养箱放置于远离出风口、阳光直射与剧烈温度波动的位置，减少外部扰动对闭环控制的挑战。

4. 软启动策略

• 实验前提前 1 h 加温与 CO₂ 预稳定，避免一次性大负载扰动。

5. 快速门禁恢复

• 安装内门或分段门设计，减少每次开门导致的温度与 CO₂ 损失。

七、监测与远程管理建议

即使 PID 参数被锁定，也可通过以下方式监测与优化控制效果：

• 实时数据记录：利用 RS-232 或 Ethernet 接口，将温度、CO₂ 曲线导出至 LIMS 系统或 Excel，分析控制响应特征。

• 周期性维护：每月清洁加热管与风盘，确保风道畅通，降低环路响应时延。

• 报警联动：将高/低报警输出接入实验室集中监控系统（如 SCADA）与短信/邮件推送，做到异常即知、即时处理。

八、结论与建议

1. 用户界面不可调
   150i 型培养箱的 PID 系数经过工厂精调并在固件中锁定，常规使用时无法通过触摸屏或简单操作界面自行修改。

2. 特殊需求需专业服务
   若确有非标环境控制需求，建议联系授权服务工程师，通过专用软件与测试台进行精准调参，并完成完整的验证与文件归档。

3. 优化使用而非盲目调参
   用户可通过更精细的报警设置、定期校准与环境优化等方式，提升控制性能并保障实验质量。