左室辅助装置改进型pid控制算法研究

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1、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

2、。【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

3、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火提高。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

4、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iO和控

5、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yO,电磁铁的线图匝数为静态偏置电流为iO,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yO+和y0~o3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PI

6、D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，输出模糊集釆用单数值型，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巾去获得合适的参数，木文用目前流行的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宄分析，同吋为了分析比较，传统P1D及模糊PID控制采用相同的传递

7、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宄，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

8、的研究工作。参考文献[1]武文芳，吴兵.人工心脏的历史及研究进展[J].中国医学装备，2008，5(03)：55-58.[2]云忠.血液机械损伤机理及高速螺旋血泵结构优化研宄[D].长沙：中南大学，2007.[3]关勇.轴流式磁忌浮人工心脏泵磁忌浮系统研究[D].济南：山东大学，2011.[4]李松恩.磁悬浮系统的设计及实验研究[D].合肥：合肥工业大学，2010.[5]AgarwalS,HighKM,Newer-genera