左室輔助裝置改進型PID控制算法研究

孫培君

本文主要研究了針對左心輔助系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子控制問題。首先對其控制系統(tǒng)進行了分析，建立了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；其次設(shè)計了系統(tǒng)控制器，采用模糊控制與PID控制相結(jié)合的技術(shù)，以位置信號為反饋量，設(shè)計出一種基于自適應(yīng)算法的控制系統(tǒng)；最后，應(yīng)用MATLAB/SIMULINK軟件進行仿真，將模糊PID 控制與傳統(tǒng)PID控制進行了對比。結(jié)果表明，所設(shè)計模糊PID控制算法具有良好的自適應(yīng)性和智能性，穩(wěn)定性好，精度高。從而證明本文所提算法對于左心輔助控制系統(tǒng)這樣的非線性、不穩(wěn)定系統(tǒng)的有效性及穩(wěn)健性。

【關(guān)鍵詞】左心輔助系統(tǒng) 模糊控制 PID控制 自適應(yīng)

1 引言

隨著全球經(jīng)濟的高速發(fā)展，人類生活水平不斷提高，心力衰竭的發(fā)病率和死亡率也不斷增加，對于終末期心力衰竭患者生命來說，心臟移植是維護和延遲的有效的方式。然而，受傳統(tǒng)思想的影響以及道德的約束，嚴重缺乏自然心臟捐贈者，所以對于醫(yī)學(xué)研究者來說最主要的就是要尋求替代品。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，研究成果不斷涌現(xiàn)，仿生心臟應(yīng)運而生。人工心臟是一種類似自然心臟的設(shè)備，這種仿生設(shè)備又叫做心臟泵。它和自然心臟一樣，同樣可以發(fā)揮向肌體進行輸送血液的作用。人工心臟的研究工作經(jīng)歷了三個階段：搏動式血泵、旋轉(zhuǎn)連續(xù)流血泵和懸浮式血泵。第三代人工心臟采用懸浮機理懸浮軸承，轉(zhuǎn)子完全懸浮于軸承之上，避免了兩者直接接觸，能有效減少發(fā)熱、磨損等問題，對血細胞的破壞性大大降低更有利于其長期植入。但是同時，磁懸浮軸承的控制難度也大大提高。所以，研究轉(zhuǎn)子的控制方法和相關(guān)特性，對于整個裝置的都有著重要的意義，可以使得系統(tǒng)具有良好的靜動態(tài)性能。本文主要針對左室輔助裝置的轉(zhuǎn)子控制展開研究，運用模糊PID算法進行控制，不僅使得系統(tǒng)效率更高，而且解決了病人的痛苦，乃至為人類生命的延續(xù)具有鮮明的意義。

2 左室輔助裝置轉(zhuǎn)子測試系統(tǒng)建模

左室輔助裝置中血泵由三大部分組成即：泵體、轉(zhuǎn)子和定子。泵體的結(jié)構(gòu)設(shè)計、定子和轉(zhuǎn)子的安裝布局設(shè)計、磁場的分布以及驅(qū)動線圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計是血泵研究的核心內(nèi)容。本文主要對轉(zhuǎn)子控制進行研究，下面將對轉(zhuǎn)子的測試系統(tǒng)進行建模。

2.1 轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

下面僅建立和分析單自由度磁懸浮轉(zhuǎn)子的數(shù)學(xué)模型，為了研究方便，需要對非線性系統(tǒng)做簡化處理，化簡成線性系統(tǒng)。圖1為單自由度轉(zhuǎn)子的原理圖，如圖所示用兩個對稱的功率放大電路來驅(qū)動電磁鐵，電磁鐵以差動的方式接入電路。當系統(tǒng)處于初始狀態(tài)時，電磁鐵中通有靜態(tài)偏置電流i0和控制電流iy，iy的大小由平衡位置與轉(zhuǎn)子之間的位移量來確定，這樣就可以讓轉(zhuǎn)子的位置一直不變。

在圖1中，設(shè)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量為m（kg），電磁鐵與不動的轉(zhuǎn)子之間的空隙為y0，電磁鐵的線圖匝數(shù)為N，靜態(tài)偏置電流為i0，轉(zhuǎn)子偏離平衡位置的位移為，與電磁鐵的有效氣隙橫截面積為S，當轉(zhuǎn)子受到外力F的作用時，將產(chǎn)生偏離平衡位置的位移，則與上面電磁鐵和下面的兩個之間的空隙變?yōu)閥0+和y0-。

3 系統(tǒng)控制算法設(shè)計

本系統(tǒng)采用模糊PID控制器設(shè)計，通過事先確定好的模糊關(guān)系，利用模糊推理的方法，在運行系統(tǒng)時通過不斷的檢測e及ec，在線修改 PID控制器的三個參數(shù)KP，KI，KD，讓PID參數(shù)可自整定。自適應(yīng)模糊 PID 控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

對每一個輸入和輸出變量，均將其規(guī)范化到 區(qū)間，并采用7個模糊集。輸入模糊集采用三角型函數(shù)，輸出模糊集采用單數(shù)值型，模糊推理及反模糊化分別采用Min-Max法和加權(quán)平均法。本文采用的模糊規(guī)則如表1所示。

4 系統(tǒng)仿真分析

為了在研究中去獲得合適的參數(shù)，本文用目前流行的MATLAB軟件對控制系統(tǒng)進行了仿真。仿真是在理想的情況下進行的，以便于對系統(tǒng)進行研究分析，同時為了分析比較，傳統(tǒng)PID及模糊PID控制采用相同的傳遞函數(shù)和設(shè)置。

仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖中可以看到，模糊PID控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間要小得多，超調(diào)量幾乎為零，穩(wěn)態(tài)誤差為零，可以滿足要求，因此具模糊控制有更好的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)性能。

5 結(jié)論

本文主要對左室輔助裝置控制進行了研究，對傳統(tǒng)PID以及模糊PID進行了詳細的分析。與傳統(tǒng)PID控制進行比較，模糊PID控制可以大大提高控制效果，具有抗擾動性能強，動態(tài)性能好等優(yōu)點。但本文僅對控制器進行MATLAB仿真研究，還未真正進行實驗操作，如何更進一步的提高模糊控制的穩(wěn)態(tài)精度，將先進的模糊控制策略應(yīng)用到實際的溫度控制中，是下一步的研究工作。

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作者單位

山東省淄博市淄博萬杰腫瘤醫(yī)院 山東省淄博市 255213