便攜式醫(yī)療設(shè)備中高精度溫控系統(tǒng)的仿真與研究

閆子旭+曹麗亞+年雷+高銘良+劉爽+孫毅

摘 要：為解決便攜式醫(yī)療設(shè)備中高精度溫控系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償問(wèn)題，本文采用粒子群算法，建立系統(tǒng)補(bǔ)償器模型，并進(jìn)行模塊仿真研究。使用MATLAB-Simulink搭建動(dòng)態(tài)溫控系統(tǒng)模型與補(bǔ)償器模型，進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果顯示，該方法使動(dòng)態(tài)溫控系統(tǒng)在響應(yīng)速度與超調(diào)量上得到明顯改善。

關(guān)鍵詞：醫(yī)療設(shè)備；溫度控制；粒子群算法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.257

0 引言

針對(duì)溫度檢測(cè)的精度和時(shí)效性問(wèn)題，本文基于粒子算法，根據(jù)傳感器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償原理提出了一種可連續(xù)高精度調(diào)溫的溫度監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)檢測(cè)，具有提醒和控制的功能。此系統(tǒng)功能強(qiáng)大，便于攜帶，是一款既實(shí)用又廉價(jià)的控制系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、溫室及冷藏等設(shè)備中。

1 補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)

補(bǔ)償模塊多以數(shù)字濾波器的形式實(shí)現(xiàn)，將實(shí)際數(shù)字濾波補(bǔ)償器的補(bǔ)償原理以差分方程形式表示

（1）

其中：為輸出信號(hào)，為輸入信號(hào)，為噪聲，為延遲算子， 為階次，為補(bǔ)償系數(shù)。根據(jù)補(bǔ)償差分方程，可以確定應(yīng)用粒子群算法進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)脑恚鐖D1所示。如何確定補(bǔ)償系數(shù)是粒子群算法要解決的核心問(wèn)題，應(yīng)用粒子群算法確定參數(shù)，關(guān)鍵是確定方法的適應(yīng)度函數(shù)J與慣性系數(shù)w[1]。

其中： 溫度系統(tǒng)實(shí)際輸出， 為理想輸出， 為樣本數(shù)量。適應(yīng)度函數(shù)衡量了實(shí)際輸出與理想輸出之間存在的誤差大小，是判斷迭代終止的條件之一[2]。

慣性系數(shù)直接決定了搜索速度與最終效果，慣性系數(shù)過(guò)大，當(dāng)w取值很大時(shí)，有利于全局探尋最佳而不利于局部尋找最佳[3]；當(dāng)w取值相對(duì)小時(shí)，則對(duì)于局部探尋是有意義的[4]。基于以上因素，確定慣性系數(shù)迭代公式

由上式可以看出，慣性系數(shù)初始值較大，隨著迭代次數(shù)增加，逐漸減小，有利于全局最優(yōu)解的確定[5]。

2 仿真結(jié)果

根據(jù)上文理論分析，對(duì)動(dòng)態(tài)溫度系統(tǒng)以及補(bǔ)償模塊進(jìn)行仿真分析。在MATLAB軟件中的Simulink模塊中，通過(guò)不同參數(shù)的設(shè)置，對(duì)該模型與補(bǔ)償器進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

補(bǔ)償前系統(tǒng)超調(diào)量為1.65，穩(wěn)態(tài)時(shí)間為10-4數(shù)量級(jí)，穩(wěn)態(tài)誤差為0.02。可以看出補(bǔ)償前系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)存在較大的超調(diào)量，同時(shí)穩(wěn)態(tài)時(shí)間不夠理想。對(duì)于補(bǔ)償模塊，采用四階模型，由粒子群算法計(jì)算，確定補(bǔ)償模塊個(gè)參數(shù)為

對(duì)應(yīng)補(bǔ)償器各個(gè)參數(shù)，對(duì)補(bǔ)償前后分別施加單位階躍輸入，進(jìn)行補(bǔ)償前后單位階躍響應(yīng)對(duì)比。由圖2可知，上圖為補(bǔ)償前傳感器的單位階躍響應(yīng)曲線，下圖為補(bǔ)償后的響應(yīng)曲線。由響應(yīng)曲線對(duì)比可以看出，補(bǔ)償后系統(tǒng)響應(yīng)超調(diào)量，1.65下降到1.07，超調(diào)量與系統(tǒng)震蕩得到比較明顯的改善；穩(wěn)態(tài)時(shí)間由10-4數(shù)量級(jí)下降到6.5×10-6，穩(wěn)態(tài)時(shí)間得到了數(shù)量級(jí)的下降；穩(wěn)態(tài)誤差由0.02下降到0.0005以下。對(duì)比補(bǔ)償效果可知，補(bǔ)償后系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能明顯改善，響應(yīng)曲線在速度與精度上能夠比較好的反映輸入信號(hào)。

對(duì)比補(bǔ)償前后的溫度系統(tǒng)幅頻特性，在幅值誤差為2%時(shí)，系統(tǒng)工作頻帶由補(bǔ)償前的4×105拓寬到1.44×106。理論上系統(tǒng)經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后可以任意拓寬工作頻帶[6]，但實(shí)際進(jìn)行補(bǔ)償，不可能無(wú)限拓寬頻帶，因?yàn)樵肼曅盘?hào)通常為高頻，工作頻道包含高頻噪聲會(huì)導(dǎo)致噪聲放大，甚至有淹沒(méi)有用信號(hào)[7]，使得測(cè)量無(wú)法進(jìn)行。因此，頻帶拓寬為傳感器的 倍即可。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)以往補(bǔ)償器過(guò)于依賴系統(tǒng)模型這一因素，本文應(yīng)用粒子群算法對(duì)動(dòng)態(tài)溫度系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償從而改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，具有一定的推廣價(jià)值。此系統(tǒng)功能強(qiáng)大，便于攜帶，是一款既實(shí)用又廉價(jià)的控制系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)療器械、溫室及冷藏等設(shè)備中。

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