左室辅助装置改进型PID控制算法研究

本文主要研究了针对左心辅助系统的转子控制问题。首先对其控制系统进行了分析，建立了转子系统的数学模型；其次设计了系统控制器，采用模糊控制与PID控制相结合的技术，以位置信号为反馈量，设计出一种基于自适应算法的控制系统；最后，应用MATLAB/SIMULINK软件进行仿真，将模糊PID 控制与传统PID控制进行了对比。结果表明，所设计模糊PID控制算法具有良好的自适应性和智能性，稳定性好，精度高。从而证明本文所提算法对于左心辅助控制系统这样的非线性、不稳定系统的有效性及健性。

【关键词】左心辅助系统 模糊控制 PID控制 自适应

1 引言

随着全球经济的高速发展，人类生活水平不断提高，心力衰竭的发病率和死亡率也不断增加，对于终末期心力衰竭患者生命来说，心脏移植是维护和延迟的有效的方式。然而，受传统思想的影响以及道德的约束，严重缺乏自然心脏捐赠者，所以对于医学研究者来说最主要的就是要寻求替代品。随着科学技术的发展，研究成果不断涌现，仿生心脏应运而生。人工心脏是一种类似自然心脏的设备，这种仿生设备又叫做心脏泵。它和自然心脏一样，同样可以发挥向肌体进行输送血液的作用。人工心脏的研究工作经历了三个阶段：搏动式血泵、旋转连续流血泵和悬浮式血泵。第三代人工心脏采用悬浮机理悬浮轴承，转子完全悬浮于轴承之上，避免了两者直接接触，能有效减少发热、磨损等问题，对血细胞的破坏性大大降低更有利于其长期植入。但是同时，磁悬浮轴承的控制难度也大大提高。所以，研究转子的控制方法和相关特性，对于整个装置的都有着重要的意义，可以使得系统具有良好的静动态性能。本文主要针对左室辅助装置的转子控制展开研究，运用模糊PID算法进行控制，不仅使得系统效率更高，而且解决了病人的痛苦，乃至为人类生命的延续具有鲜明的意义。

2 左室辅助装置转子测试系统建模

左室辅助装置中血泵由三大部分组成即：泵体、转子和定子。泵体的结构设计、定子和转子的安装布局设计、磁场的分布以及驱动线圈的结构设计是血泵研究的核心内容。本文主要对转子控制进行研究，下面将对转子的测试系统进行建模。

2.1 转子系统的数学模型

下面仅建立和分析单自由度磁悬浮转子的数学模型，为了研究方便，需要对非线性系统做简化处理，化简成线性系统。图1为单自由度转子的原理图，如图所示用两个对称的功率放大电路来驱动电磁铁，电磁铁以差动的方式接入电路。当系统处于初始状态时，电磁铁中通有静态偏置电流i0和控制电流iy，iy的大小由平衡位置与转子之间的位移量来确定，这样就可以让转子的位置一直不变。

在图1中，设转子的质量为m（kg），电磁铁与不动的转子之间的空隙为y0，电磁铁的线图匝数为N，静态偏置电流为i0，转子偏离平衡位置的位移为，与电磁铁的有效气隙横截面积为S，当转子受到外力F的作用时，将产生偏离平衡位置的位移，则与上面电磁铁和下面的两个之间的空隙变为y0+和y0-。

3 系统控制算法设计

本系统采用模糊PID控制器设计，通过事先确定好的模糊关系，利用模糊推理的方法，在运行系统时通过不断的检测e及ec，在线修改 PID控制器的三个参数KP，KI，KD，让PID参数可自整定。自适应模糊 PID 控制器的结构框图如图2所示。

对每一个输入和输出变量，均将其规范化到 区间，并采用7个模糊集。输入模糊集采用三角型函数，输出模糊集采用单数值型，模糊推理及反模糊化分别采用Min-Max法和加权平均法。本文采用的模糊规则如表1所示。

4 系统仿真分析

为了在研究中去获得合适的参数，本文用目前流行的MATLAB软件对控制系统进行了仿真。仿真是在理想的情况下进行的，以便于对系统进行研究分析，同时为了分析比较，传统PID及模糊PID控制采用相同的传递函数和设置。

仿真结果如图3所示。

从图中可以看到，模糊PID控制系统调节时间要小得多，超调量几乎为零，稳态误差为零，可以满足要求，因此具模糊控制有更好的动态特性和稳态性能。

5 结论

本文主要对左室辅助装置控制进行了研究，对传统PID以及模糊PID进行了详细的分析。与传统PID控制进行比较，模糊PID控制可以大大提高控制效果，具有抗扰动性能强，动态性能好等优点。但本文仅对控制器进行MATLAB仿真研究，还未真正进行实验操作，如何更进一步的提高模糊控制的稳态精度，将先进的模糊控制策略应用到实际的温度控制中，是下一步的研究工作。

参考文献

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作者单位

山东省淄博市淄博万杰肿瘤医院 山东省淄博市 255213