基于預(yù)估模糊PID的超聲霧化器控制系統(tǒng)設(shè)計與研究

李繼剛　拓福婷　岳慶玲　陳玉

[摘? ? 要]超聲霧化器在日益增多的呼吸道疾病的治療中發(fā)揮著不可替代的作用，文章針對目前市場上的霧化器存在溫度控制系統(tǒng)不完善的問題，設(shè)計了一種智能超聲霧化器控制系統(tǒng)。考慮溫度控制中存在滯后、參數(shù)不確定性、外界干擾、未建模動態(tài)等問題，選擇Smith預(yù)估器及模糊自適應(yīng)PID控制相結(jié)合的溫度控制方法。對所設(shè)計的控制算法進行仿真試驗，并將結(jié)果與PID控制及Smith-PID控制進行對比。結(jié)果表明，預(yù)估模糊PID控制具有良好適應(yīng)能力及魯棒性，有助于改善霧化器性能。

[關(guān)鍵詞]超聲波;霧化器;溫度控制;模糊PID

[中圖分類號]TP273 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）09–000–04

[Abstract]Ultrasonic nebulizer plays an irreplaceable role in the treatment of increasing respiratory diseases. Aiming at the problem of imperfect temperature control system of nebulizers on the market， an intelligent ultrasonic nebulizer control system is designed. Considering the lag， parameter uncertainty， external interference， unmodeled dynamics and other issues in temperature control， a temperature control method combining Smith predictor and fuzzy adaptive PID control is selected. Perform a simulation experiment on the designed control algorithm， and compare the results with PID control and Smith-PID control. The results show that the predictive fuzzy PID control has good adaptability and robustness， which helps to improve the performance of the atomizer.

[Keywords]ultrasonic; atomizer; temperature control; fuzzy PID

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，人們的物質(zhì)生活極大豐富的同時，由于氣候變暖、空氣污染嚴重、傳染性病毒等導(dǎo)致的呼吸道疾病越來越多地影響到了人們的生活品質(zhì)。針對呼吸道疾病，超聲霧化器可將藥液化為能夠通過呼吸的方式進入肺部的微小霧滴，具有操作簡單、治療效果顯著、無痛等特點，已經(jīng)成為一種不可替代的醫(yī)療器械[1]。

近年，國內(nèi)外學(xué)者都對超聲霧化器進行了深入研究，各大生產(chǎn)廠家也對產(chǎn)品進行了技術(shù)改進。目前大部分的研究及技術(shù)改進集中于霧化設(shè)備的改進。饒東升[2]等設(shè)計了一種靜態(tài)網(wǎng)式超聲霧化器，通過超聲變幅桿延長換能器壽命，且不需要通過加熱等手段來進行藥液霧化;趙蕊[3]以單片機為核心，實現(xiàn)對內(nèi)部功能的控制，檢測并顯示工作溫度，設(shè)計并實現(xiàn)了基于藍牙技術(shù)的無線傳輸?shù)耐ㄐ沛溌?，增強設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)治療功能。PARI公司的產(chǎn)品膜片的振蕩頻率為10萬次/s，霧化質(zhì)量很高。魚躍公司生產(chǎn)醫(yī)用超聲霧化器，其結(jié)構(gòu)比較簡單，價格適中。以上現(xiàn)有及改進的霧化器大部分存在溫度不可調(diào)或者不夠智能等不足。因此，為使更多的患者減輕病痛，設(shè)計一種更為智能化的霧化器具有重大意義。

針對目前醫(yī)用超聲霧化器的缺點，為了方便老人和孩子的使用，本研究確立了研制一種新型智能醫(yī)用超聲霧化器，具有常用參數(shù)的記憶功能，增加了語音提示功能，能夠加熱并精確控制藥液溫度。目前，針對霧化器溫度控制中滯后、參數(shù)不確定性、外界干擾、未建模動態(tài)等問題，本文嘗試了多種新型控制策略。主要包括經(jīng)典PID控制、Smith預(yù)估控制與PID控制結(jié)合的Smith-PID控制、模糊自適應(yīng)PID 控制與Smith預(yù)估控制相結(jié)合的 Smith-fuzzyPID控制。

1 霧化器系統(tǒng)概述

本文設(shè)計的霧化器主要由塑料殼體、加熱鍋、霧化腔、進水閥、出水閥、控制板等組成。該霧化器具有良好的人機交互功能，語音提示功能，能夠控制加熱藥液的溫度，通過超聲波霧化給藥。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在該控制系統(tǒng)中，按鍵輸入模塊中包括風(fēng)量控制鍵（高、中、低三檔），霧化量控制鍵（高、中、低）及藥液溫度控制鍵（設(shè)定值為40～80 ℃），系統(tǒng)允許溫度誤差為±1 ℃。系統(tǒng)主控制板的核心是PIC16F1938單片機，操作參數(shù)等數(shù)據(jù)存儲于單片機內(nèi)部EEPROM中。霧化腔中包括由PWM電路控制的PZT壓電陶瓷換能器、PWM控制的送風(fēng)風(fēng)機及液位傳感器：其中PZT壓電陶瓷換能器將電能轉(zhuǎn)換為高頻振蕩的超聲波，從而控制霧化量，換能器的振蕩頻率決定了霧化程度，是霧化器性能的體現(xiàn);送風(fēng)風(fēng)機用于控制進入呼吸管的霧化藥液速度;液位傳感器用于檢測霧化腔中藥液量。

加熱鍋中包括加熱器及NTC溫度傳感器，其中加熱器由主控制板控制，溫度傳感器用于檢測及變送藥液實際溫度;LED顯示屏顯示藥液當前的溫度數(shù)值、指示燈指示風(fēng)量等級、霧化量等級，語音播報模塊核心為NV020C，播報霧化開始、即將結(jié)束及故障報警等。此外霧化腔和加熱鍋之間通過進水閥連接，系統(tǒng)通過檢測霧化腔液位控制進水閥的通斷。

整個系統(tǒng)的工作原理為：系統(tǒng)開始工作后溫度傳感器檢測加熱鍋中藥液溫度變送至系統(tǒng)主控制板，與按鍵設(shè)定的溫度進行比較，當藥液溫度低于給定值時主控板計算并輸出相應(yīng)的控制電流控制加熱器工作，直至藥液溫度與給定溫度一致;進水閥打開，給定溫度的藥液進入霧化腔;在給定霧化量、風(fēng)量等級控制下，滿足需求等級的霧化藥液進入呼吸管。

本文中的加熱器采用電阻爐加熱，具有熱效率高，無污染，操作簡單等特點。通過機理分析法及查閱相關(guān)文獻[4]，可將被控對象簡化為一個包含有滯后環(huán)節(jié)的一階慣性環(huán)節(jié)：

式（1）中，K為電阻爐靜態(tài)增益（參數(shù)K與藥液質(zhì)量m反比例相關(guān)）;T為慣性時間常數(shù);S為復(fù)變量;τ為純滯后時間常數(shù)。根據(jù)一階系統(tǒng)理論及科恩庫恩公式，當m=0.3 kg，設(shè)定溫度值為60°時，采用試驗測定法得到系統(tǒng)參數(shù)：K=0.11、T=75、τ=8。

通過多次試驗分析，該溫度控制系統(tǒng)不僅存在滯后環(huán)節(jié)，還存在參數(shù)時變性，如藥液質(zhì)量m及設(shè)定溫度值的變化會影響參數(shù)T、K;同時還存在加熱鍋是否加蓋、環(huán)境溫度變化等外部干擾因素。

2 控制器設(shè)計

由式（1）及機理分析可發(fā)現(xiàn)，該溫度控制系統(tǒng)中存在滯后環(huán)節(jié)，參數(shù)時變，未建模動態(tài)。模糊控制器設(shè)計無需精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，同時控制器具有抗干擾能力強，魯棒性良好等特性[5]，針對傳統(tǒng)PID控制的參數(shù)適應(yīng)性差的問題，本文采用模糊控制來調(diào)整PID控制器參數(shù)，解決系統(tǒng)中存在的問題，提高系統(tǒng)魯棒性。

模糊PID控制中的模糊控制采用二維輸入，7*7模糊規(guī)則的模糊控制器，由模糊化、模糊推理、解模糊三部分組成。模糊變量設(shè)計及隸屬度函數(shù)選擇：模糊控制器的輸人信號為電流信號差E及EC，論域設(shè)置為[-6 6]，輸出變量KP、KI、KD，其模糊論域分別為[-10 10]，將輸入輸出變量的模糊論域分別劃分為7個子集{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}，根據(jù)三角形隸屬度函數(shù)控制靈敏度高，分辨率高的特點[6]，在控制器輸出相對小的時候選用三角形隸屬度函數(shù)。同時為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，控制器輸出值較大時選用S和Z型隸屬度函數(shù)，當其輸出值適中時，選用梯形隸屬度函數(shù)，由此得到輸入變量及輸出變量的隸屬度函數(shù)。如圖2所示。

模糊規(guī)則設(shè)計及解模糊：在本文所設(shè)計的模糊PID控制器中，模糊控制器用于調(diào)整PID控制器的參數(shù)。模糊規(guī)則根據(jù)以下思路建立：誤差|e|較大，則PID控制中應(yīng)選擇較大的KP和KI，誤差|e|適中時選適中的KP和KI，同理誤差|e|較小時選相對較小的KP和KI;KD則隨|ec|增大在小范圍內(nèi)減小，以此來進行較小系統(tǒng)超調(diào)，提高PID控制器的調(diào)節(jié)性能。根據(jù)上述思路，建立如表1所示的模糊控制規(guī)則。

針對控制系統(tǒng)中時滯問題，Smith預(yù)估控制在反饋控制的基礎(chǔ)上引入補償環(huán)節(jié)消除滯后環(huán)節(jié)，減少超調(diào)量和加速調(diào)節(jié)過程[7]，提升系統(tǒng)性能。Smith預(yù)估補償環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)H（s）如式（4）所示，加入該環(huán)節(jié)后系統(tǒng)系統(tǒng)滯后環(huán)節(jié)e-τs被消除，系統(tǒng)穩(wěn)定性增強。

3 仿真驗證

根據(jù)系統(tǒng)工作原理及所設(shè)計控制器，可在Matlab平臺中搭建系統(tǒng)仿真模型。如圖3所示。將模糊自適應(yīng)控制器、Smith預(yù)估器與傳統(tǒng)PID控制器運用于霧化器溫度控制中，并對各控制器在不同情況下的控制效果進行分析、對比。

為驗證系統(tǒng)在設(shè)定溫度變化時控制系統(tǒng)的性能，在第0 s將溫度設(shè)定為0 ℃，在第200 s時設(shè)為40 ℃，在系統(tǒng)穩(wěn)定后第600 s變更為60 ℃。其中PID控制器參數(shù)由Matlab中的PID Tuner整定得到：kp=51.11，ki=0.69，kd=202.01，N=0.43。仿真結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，常規(guī)PID控制，超調(diào)5%，調(diào)整時間為120 s，穩(wěn)態(tài)誤差0.15%;增加Smith預(yù)估器后的PID控制幾乎沒有超調(diào)同時穩(wěn)態(tài)誤差減小，但系統(tǒng)調(diào)整時間仍然較大。本文所設(shè)計的Smith-fuzzyPID控制器，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，超調(diào)明顯減小，調(diào)整時間減少50%，超調(diào)減少50%。故采用Smith-fuzzyPID控制方法使得被控系統(tǒng)的超調(diào)量、響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)時間等均優(yōu)于常規(guī)控制方法。

為驗證加入干擾量后即在藥液保溫過程中不加蓋時控制系統(tǒng)的性能，在系統(tǒng)溫度達到40 ℃后加入幅值為2，時間為10 s的干擾信號，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖5所示。從圖中可見，PID控制的超調(diào)量為4.5%，調(diào)整時間為60 s，穩(wěn)態(tài)誤差較大;Smith-PID超調(diào)減小2.7%，但系統(tǒng)調(diào)整時間及穩(wěn)態(tài)誤差沒有明顯變化;Smith-fuzzyPID控制器，超調(diào)變化不明顯，但調(diào)整時間減少20%，穩(wěn)態(tài)誤差減少90%。

改變加熱鍋內(nèi)藥液質(zhì)量，系統(tǒng)模型發(fā)生變化，仿真結(jié)果如圖6所示。對比圖4與圖6可發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)模型發(fā)生變化時，Smith-fuzzyPID控制系統(tǒng)響應(yīng)沒有明顯變化，模型變化幾乎沒有影響其控制性能。

4 結(jié)束語

通過以上仿真試驗證明，基于Smith-fuzzyPID控制的霧化器加熱鍋溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)對時滯、參數(shù)不確定性及未建模動態(tài)等問題適應(yīng)性良好，系統(tǒng)超調(diào)量、響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)時間等方面均優(yōu)于單純的PID控制，在設(shè)定溫度變化、藥液質(zhì)量變化、鍋蓋打開時，采用本文所設(shè)計的Smith-fuzzyPID控制器，霧化器溫度控制系統(tǒng)跟隨性、穩(wěn)定性良好。該智能超聲霧化器的研制將對醫(yī)用超聲霧化器的應(yīng)用起到推動作用。

參考文獻

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