基于复合模糊控制的血液透析机温度控制系统.pdf

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1、回论文基于复合模糊控制的血液透析机温度控制系统王华峰杨晶娟朱懿恒卢广文(1．南方医科大学基础医学院2．南方医科大学生物医学工程学院)摘要：根据血液透析机温度控制系统具有大惯性、滞后性的特点，提出了一种基于模糊控制和PID控制相结合的方案，在大误差时采用模糊控制加快系统响应，小误差时采用PID控制减少超调量和提高控制精度。通过调节PWM的占空比控制固态继电器的开关时间，实现对透析液温度的控制。实验结果证明该方法具有超调量小、控制精度高、响应速度较快的特点，满足血液透析机的恒温要求。关键词：血液透析机；PWM；模糊控制；PID控制换器，与即将排出机器的废液隔着金属

2、导热片相对流0引言过，使废液的热量传至反渗水；随后流经加热腔，经血液透析疗法已有半个世纪的历史，随着现代电加热棒加热后的反渗水在混合腔通过比例泵与A、B子技术和医学的快速发展，血液透析机已经具有各种浓缩液按设定比例配制成透析液；单片机通过温度传功能齐全的监控系统。它主要用于慢性肾功能衰竭、感器监控透析液的温度，反馈控制加热棒，从而将透组织性水肿和药物中毒，是集合了计算机、医学、电析液温度控制于设定值之间[20】。血液透析机温度控制子、材料、化学、机械等技术的体外循环设备。现在系统的结构如图1所示。已经成为一种安全的常规性设备，在大中型医院、市县级医院甚至于患者

3、ROTk家庭中都得到广泛应用。在透析治疗过程中，患者体内的血液引出体外净化后再流回人体内。在此过程中会造成热量的损失，引起患者血管收缩、痉挛等并发症，因此需要补偿体外循环管路中血液的热量损失[1]。通常采用加热水路系统控制透析液的温度，利用透析液与血液隔着透析膜进行热交换补偿损图1血液透析机温度控制系统结构图失的热量。当透析液温度过低或过高因此为了确保治疗效果，并使患者感觉舒适，要时，容易造成患者寒战、溶血、心律失常或心衰。因精确控制温度。本文设计了一种用于血液透析机的温此必须将透析液温度控制在设置值范围内，治疗时根度控制系统。该系统采用单片机实现对温度的控制

4、，据病人的情况适当调节，一旦透析液温度超出正常范以PT100温度传感器作为感应元件，固态继电器作为围，将经旁路功能阻止透析液进入透析器，以保证透执行元件，并使用PWM方法代替原有的模拟量控制。析治疗时病人的安全。同时温度控制系统的精度直接实践证明，该系统能将透析液温度稳定在设定温度，影响透析时主体机能的变化。温度控制系统的工作流精度可达±0．2℃，满足透析机恒温的要求，且容易程是：反渗水进入血液透析机的水路系统，经过热交实现，成本较低。81温度控制系统设计过复合模糊控制算法调节PWM的占空比，改变一个PWM周期内固态继电器的通断时间，达到对加热棒图2为血液透析

5、机温度控制系统的原理框图。温的功率控制，实现温度的精确控制。在一个PWM周度采集将透析液当前的温度转化成数字量传送给计期内，加热棒的能量为算机，并与设定的温度相比较，得到温度的偏差和偏差变化率。将偏差和偏差变化率作为复合模糊控制的p，：．：一RLTRL输入，经复合模糊控制后输出PWM占空比的改变量，，其中，：称为占空比；U为加热棒工作电压的控制固态继电器的通断，从而控制加热棒的加热功7’率，达到控制透析液温度的目的。有效值；，为加热棒的电阻值。可见，改变单位时间内高电平的时间，即可改变PWM的占空比，从而控制加热棒所提供的热能。周期固定、占空比可调的PWM波如

6、图3所示。图2血透机温度控制原理图3·31．1温度采集模块言通常透析液的正常温度范围为30~C~-40~C，本系统采用PT100作为温度传感器，利用PT100的电阻t／ms值与温度变化之间的关系，将温度转化为图3周期固定、占空比可调的PWM波0vl~5v的电压值。模块采用TI公司的TL431构成的精密5V电压源作为温度传感器PT100电桥的供电2复合模糊控制器设计电压，TL431的内基准电压为2．5v，输出电压范围2．1复合控制器结构为2．5V-30V。根据PT100的温度电阻关系曲线，当传统的控制方法建立在被控对象的精确数学模温度为0℃时，电阻值为100；当

7、温度为100℃时，型上，然而实际应用中，系统的复杂性、滞后性等因电阻值为138．51；当温度变化0．1℃，对应的电阻素，导致难以建立精确的模型。模糊控制是以模糊集值变化0．039Q。AD620和OPA2277组成两级放大合论为基础，应用模糊语言和模糊逻辑推理，模拟人器，将采集的温度变化调整到合适A／D转换的区间。的思维方法，对复杂过程进行控制。模糊控制不依赖1．2微控制器模块被控对象的模型，通过数据及相关的检验来实行控选择TI公司的MSP430F169单片机作为系统的制，可以在远离控制点的区域获得较好的控制效果。微控制器，该单片机有如下特点：低供电电压范围但是

8、模糊控制器只具有相当于比例和微分的功能