基于模糊PID復(fù)合控制的醫(yī)用控溫毯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張?jiān)?，勾萬強(qiáng)，張 敏

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引言

隨著現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)用控溫毯在臨床醫(yī)療中被廣泛使用。最初醫(yī)用控溫毯采用壓縮機(jī)制冷、電熱絲加熱的方式對毯內(nèi)循環(huán)流動的熱質(zhì)進(jìn)行溫度控制。傳統(tǒng)控溫毯制冷、加熱模式不統(tǒng)一直接導(dǎo)致冷熱毯不能在一臺主機(jī)上實(shí)現(xiàn)，且效率低、體積較大，這些弊端大幅限制了控溫毯的使用范圍[1]。隨著半導(dǎo)體制冷/制熱技術(shù)的發(fā)展，基于半導(dǎo)體制冷技術(shù)的醫(yī)用控溫毯大大拓展了醫(yī)用控溫毯的使用場合，其原理是利用帕爾貼效應(yīng)[2]。半導(dǎo)體制冷/制熱技術(shù)簡單可靠，效率較高，大大減小了設(shè)備體積。制冷/制熱模式的切換，可以通過改變半導(dǎo)體制冷器的電流方向?qū)崿F(xiàn)。功率大小可通過控制半導(dǎo)體制冷器兩端電壓高低進(jìn)行調(diào)節(jié)[3]。常用的溫控方式有PID控制和模糊控制，由于醫(yī)用控溫毯控溫過程屬于大慣性環(huán)節(jié)，采用獨(dú)立的模糊或者PID控制，很難達(dá)到理想的控制效果，為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于模糊PID復(fù)合控制的控溫毯控制系統(tǒng)。

1 醫(yī)用控溫毯控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：①采集控溫毯各工作部分的溫度信號(因醫(yī)療儀器行業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[4-5]，此部分應(yīng)注意加入電器隔離設(shè)計(jì))，采集實(shí)時水位報(bào)警信號；②通過觸摸屏與用戶進(jìn)行人機(jī)交互；③將各項(xiàng)數(shù)據(jù)處理后輸出相應(yīng)控制信號，對半導(dǎo)體制冷制熱器進(jìn)行功率控制。

控制系統(tǒng)硬件包括主控板及驅(qū)動板兩部分。主控板通過采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行運(yùn)算，最終產(chǎn)生PWM控制信號給驅(qū)動板；驅(qū)動板采用大功率MOSFET陣列實(shí)現(xiàn)功率控制，采用兩個單刀雙擲繼電器實(shí)現(xiàn)電流換向。

2 系統(tǒng)控制方法設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)模型

國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：醫(yī)用控溫毯在加熱模式中，最高溫度不能超過42 ℃；制冷模式中，最低溫不能低于4 ℃。常用的溫度控制方式有PID控制和模糊控制，但是這兩種方式也有一定的局限性，PID控制容易產(chǎn)生超調(diào)、調(diào)節(jié)時間長的現(xiàn)象；模糊控制雖然調(diào)節(jié)時間短，但是容易產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)精度不高的現(xiàn)象。使用模糊PID復(fù)合控制方法不僅能使調(diào)節(jié)時間變短，而且能夠?qū)崿F(xiàn)較好的穩(wěn)態(tài)精度。因此本文設(shè)計(jì)出一種用于控溫毯的模糊PID復(fù)合控制方案。

圖1為醫(yī)用控溫毯控制系統(tǒng)模型，主要由模糊控制器和PID控制器構(gòu)成。兩個控制器與被控對象之間設(shè)置一個切換開關(guān)，通過判斷偏差e與設(shè)定閾值ε的大小來選擇控制方式。當(dāng)e>ε時，認(rèn)為系統(tǒng)處于動態(tài)運(yùn)行過程，選擇模糊控制，可以發(fā)揮其調(diào)節(jié)時間短，沒有超調(diào)的特點(diǎn)；當(dāng)e≤ε時,認(rèn)為系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的過程，選擇PID控制，可以發(fā)揮其穩(wěn)態(tài)精度高的特點(diǎn)。

2.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選擇雙輸入單輸出模糊控制器，主要有3個功能：①模糊化，即把確定量轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的模糊量；②模糊推理，即根據(jù)操作者的控制經(jīng)驗(yàn)指定模糊控制規(guī)則，并進(jìn)行模糊推理得到一個模糊輸出量；③模糊判決，即把模糊量轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的確定量。

模糊控制器的設(shè)計(jì)主要包括下面4個步驟：

(1) 輸入輸出語言變量選擇：輸入語言變量選擇實(shí)際溫度和給定溫度的偏差e以及偏差變化率ec，輸出語言變量選擇控制驅(qū)動模塊的PWM占空比u。

圖1 醫(yī)用控溫毯控制系統(tǒng)模型

圖2 隸屬度函數(shù)

(3) 建立模糊控制規(guī)則表：雙輸入單輸出的模糊推理規(guī)則為：

其中：°為模糊集的合成運(yùn)算符。整體模糊控制規(guī)則如表1所示。

(4) 模糊決策：模糊控制器輸出的是一個模糊集合，模糊決策可以根據(jù)一個模糊集判決出一個確定的控制量作用于被控對象。這里采用加權(quán)平均法，輸出量計(jì)算公式為：

其中：l為單點(diǎn)集數(shù)目;yi為離散論域的點(diǎn);μ(yi)為相應(yīng)點(diǎn)的隸屬度函數(shù)值。

2.3 系統(tǒng)PID控制器設(shè)計(jì)

單片機(jī)屬于數(shù)字控制系統(tǒng)[6]，所以PID控制器應(yīng)該選擇數(shù)字PID控制器，本系統(tǒng)選擇位置式PID控制器。位置式PID控制器表達(dá)式為：

其中：u(k)為第k個采樣時刻需要作用于被控對象的輸出量;Kp為比例環(huán)節(jié)系數(shù);e(j)為j時刻的偏差；e(k)為第k個采樣時刻的偏差;Ki為積分環(huán)節(jié)系數(shù);Kd為微分環(huán)節(jié)系數(shù)。

PID控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于三個參數(shù)的整定調(diào)試。首先確定比例系數(shù)Kp，將積分系數(shù)和微分系數(shù)設(shè)為零，采用二分法逐漸增大，查看輸出響應(yīng)，從中選取一個較為合適的Kp；然后保持Kp不變，將積分系數(shù)設(shè)為零，用同樣的方法調(diào)試微分系數(shù)Kd；最后調(diào)試積分系數(shù)Ki。這樣得到的三個系數(shù)并不一定是最優(yōu)系數(shù)，還需要仔細(xì)微調(diào)，從而得到較為滿意的控制效果。

表1 模糊控制規(guī)則表

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用uC/OS-Ⅱ嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)，將整個系統(tǒng)劃分為6個任務(wù)[7]：時基任務(wù)、存儲任務(wù)、傳感器任務(wù)、控制任務(wù)、液晶任務(wù)、報(bào)警任務(wù)。時基任務(wù)主要作用是為其他任務(wù)提供計(jì)時服務(wù)；存儲任務(wù)通過控制EEPROM芯片[8]對系統(tǒng)的一些重要數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、寫入，使系統(tǒng)斷電后仍可以存儲相關(guān)信息；傳感器任務(wù)負(fù)責(zé)采集各個傳感器的信號及狀態(tài)；液晶任務(wù)負(fù)責(zé)與用戶進(jìn)行交互；報(bào)警任務(wù)實(shí)時監(jiān)測傳感器任務(wù)發(fā)送的信號量，對系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警提醒；控制任務(wù)是整個控制系統(tǒng)最為核心的內(nèi)容，它決定了溫度的控制效果能否達(dá)到控制要求?？刂迫蝿?wù)的算法流程如圖3所示。首先進(jìn)行定時器通道和PWM輸出管腳的初始化，再設(shè)定模糊控制器和PID控制器的相關(guān)參數(shù)，然后判斷定時采樣時刻是否到來，如果到了采樣時刻則計(jì)算偏差和偏差變化率，將偏差同偏差閾值進(jìn)行對比，從而選擇模糊控制還是PID控制，最后輸出PWM控制信號。

4 實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)調(diào)試模擬用戶實(shí)際操作進(jìn)行，對系統(tǒng)分別進(jìn)行升溫及降溫兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)分三組進(jìn)行，分別為模糊控制、PID控制、模糊PID復(fù)合控制。

4.1 升溫實(shí)驗(yàn)

(1) 模糊控制升溫實(shí)驗(yàn)：測試環(huán)境溫度為22.7 ℃，循環(huán)液體初始溫度為21.3 ℃，設(shè)置溫度為37.0 ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

(2) PID控制升溫實(shí)驗(yàn)：測試環(huán)境溫度為24.8 ℃，循環(huán)液體初始溫度為24.3 ℃，設(shè)置溫度為38.5 ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

(3) 模糊PID復(fù)合控制升溫實(shí)驗(yàn)：測試環(huán)境溫度為28.0 ℃，循環(huán)液體初始溫度為25.2 ℃，設(shè)置溫度為40.0 ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

4.2 降溫實(shí)驗(yàn)

(1) 模糊控制降溫實(shí)驗(yàn)：測試環(huán)境溫度為27.6 ℃，循環(huán)液體初始溫度為21.5 ℃，設(shè)置溫度為15.0 ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

(2) PID控制降溫實(shí)驗(yàn)：測試環(huán)境溫度為25.1 ℃，循環(huán)液體初始溫度為18.8 ℃，設(shè)置溫度為10.0 ℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

(3) 模糊PID復(fù)合控制降溫實(shí)驗(yàn)：測試環(huán)境溫度為22.0 ℃，循環(huán)液體初始溫度為20.3 ℃，設(shè)置溫度為5.0 ℃,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：獨(dú)立的模糊控制不論是升溫還是降溫都會有穩(wěn)態(tài)偏差較大的現(xiàn)象出現(xiàn)。獨(dú)立的PID控制不論是升溫還是降溫都會有溫度超調(diào)的現(xiàn)象出現(xiàn)。采用模糊PID復(fù)合控制不僅能很好地避免超調(diào)現(xiàn)象出現(xiàn)，同時穩(wěn)態(tài)精度得到了很好的改善，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，控制精度可達(dá)±0.2 ℃，系統(tǒng)采用的數(shù)字式溫度傳感器DS18B20[9]測量精度為±0.5 ℃，因此做誤差累計(jì)，系統(tǒng)最終可將實(shí)際水溫控制在設(shè)定水溫的±0.7 ℃的范圍內(nèi)，符合國家標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

本文介紹了一種高精度醫(yī)用控溫毯控制系統(tǒng)，創(chuàng)新性地采用了模糊PID復(fù)合控制方法，在設(shè)備可設(shè)定溫度范圍內(nèi)，均可實(shí)現(xiàn)高精度的控溫調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法相比于傳統(tǒng)模糊控制及PID控制有魯棒性強(qiáng)、超調(diào)小、控溫精度高、調(diào)節(jié)時間短等特點(diǎn)；在設(shè)定溫度范圍內(nèi)，超調(diào)均不超過±0.7 ℃。在接下來的工作中，將對設(shè)備進(jìn)行電磁兼容測試。

圖3 控制任務(wù)算法流程

圖4模糊控制升溫曲線圖5 PID控制升溫曲線圖6模糊PID復(fù)合控制升溫曲線

圖7模糊控制降溫曲線圖8 PID控制降溫曲線圖9模糊PID復(fù)合控制降溫曲線