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的轉子控制問題。首先對其控制系統進行了分析，建立了轉子系統的數學模型；其次設計了系統控制器，采用模糊控制與PID控制相結合的技術，以位置信號為反饋量，設計出一種基于自適應算法的控制系統；最后，應用MATLAB/SIMULINK軟件進行仿真，將模糊PID 控制與傳統PID控制進行了對比。結果表明，所設計模糊PID控制算法具有良好的自適應性和智能性，穩定性好，精度高。從而證明本文所提算法對于左心輔助控制系統這樣的非線性、不穩定系統的有效性及穩健性。

【關鍵詞】左心輔助系統 模糊控制 PID控制 自適應

1 引言

隨著全球經濟的高速發展，人類生活水平不斷提高，心力衰竭的發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，所以對于醫學研究者來說最主要的就是要尋求替代品。隨著科學技術的發展，研究成果不斷涌現，仿生心臟應運而生。人工心臟是一種類似自然心臟的設備，這種仿生設備又叫做心臟泵。它和自然心臟一樣，同樣可以發揮向肌體進行輸送血液的作用。人工心臟的研究工作經歷了三個階段：搏動式血泵、旋轉連續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，研究轉子的控制方法和相關特性，對于整個裝置的都有著重要的意義，可以使得系統具有良好的靜動態性能。本文主要針對左室輔助裝置的轉子控制展開研究，運用模糊PID算法進行控制，不僅使得系統效率更高，而且解決了病人的痛苦，乃至為人類生命的延續具有鮮明的意義。

2 左室輔助裝置轉子測試系統建模

左室輔助裝置中血泵由三大部分組成即：泵體、轉子和定子。泵體的結構設計、定子和轉子的安裝布局設計、磁場的分布以及驅動線圈的結構設計是血泵研究的核心內容。本文主要對轉子控制進行研究，下面將對轉子的測試系統進行建模。

2.1 轉子系統的數學模型

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

在圖1中，設轉子的質量為m（kg），電磁鐵與不動的轉子之間的空隙為y0，電磁鐵的線圖匝數為N，靜態偏置電流為i0，轉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，當轉子受到外力F的作用時，將產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為y0+和y0-。

3 系統控制算法設計

本系統采用模糊PID控制器設計，通過事先確定好的模糊關系，利用模糊推理的方法，在運行系統時通過不斷的檢測e及ec，在線修改 PID控制器的三個參數KP，KI，KD，讓PID參數可自整定。自適應模糊 PID 控制器的結構框圖如圖2所示。

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

4 系統仿真分析

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

仿真結果如圖3所示。

從圖中可以看到，模糊PID控制系統調節時間要小得多，超調量幾乎為零，穩態誤差為零，可以滿足要求，因此具模糊控制有更好的動態特性和穩態性能。

5 結論

本文主要對左室輔助裝置控制進行了研究，對傳統PID以及模糊PID進行了詳細的分析。與傳統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，動態性能好等優點。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態精度，將先進的模糊控制策略應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院 山東省淄博市 255213