左心辅助装置的多变量模糊控制系统研究

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左心辅助装置作为一种有效的治疗心衰患者的手段,在临床上已经得到应用。作为重要的组成部分,控制系统的性能关系到左心辅助装置能否产生满足生理要求的血流,维持正常的血液循环。为了提高自制左心辅助装置控制系统的响应速度以及鲁棒性,本文对左心辅助装置的流量、压力与转速的关系进行了研究,并在此基础上,采用模糊控制算法为核心的控制策略,设计了左心辅助装置控制系统,然后通过数值和实验研究评价系统的可行性。  本文首先针对左心辅助装置用无刷直流电机的结构、工作原理以及数学模型等进行了系统介绍,并在此基础上提出了以模糊控制算法为核心的控制策略。为了验证控制算法的可行性,应用软件Matlab/Simulink建立左心辅助装置转速模糊PID控制模型,数值结果证实,相对于传统PID控制,模糊PID控制具有较高的响应速度以及良好的鲁棒性。  其次,根据左心辅助控制系统的要求,实现了多变量模糊控制系统的硬件电路设计与软件设计。硬件设计主要包括控制电路以及驱动电路:控制电路主要完成压力、流量以及转速的检测、液晶显示以及参数设定,根据采集到的相关参数数据,在处理器STM32中实现模糊算法计算,输出电压驱动信号;驱动电路主要包括ML4425驱动芯片外围器件的参数选取以及逆变桥电路的设计,根据控制电路的输出信号调节转速。软件设计则运用KeilμVision4开发工具完成主程序设计、模糊控制算法设计、检测数据处理及其显示以及参数与上位机的通讯等。  最后,搭建人体血液循环模拟系统,对左心辅助装置多变量模糊控制系统进行了实验研究。首先,调节转速环,根据显示的实际转速与给定转速调试程序,记录并分析相关数据,结果表明,转速在约2.8s到达稳定状态,在干扰情况下经过约1s的时间恢复到稳定状态。然后,在实验系统模拟的心衰环境下,将流量环与转速环结合,把流量数据传至上位机进行分析,并根据数据结果调试程序。结果显示,控制系统在突然心衰的情况下经过约5.2s的时间可恢复到正常流量,证实模糊PID控制系统具有良好的响应速度与鲁棒性。本文的研究表明,基于流量、压力与转速的模糊关系建立的多变量模糊控制系统可以满足左心辅助装置在临床上的应用要求。
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