一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法
一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及医疗器械技术领域，尤其是设及一种血液净化仪多蠕动累模糊控制方 法。
【背景技术】
[0002] 血液净化设备用途是血液净化治疗，相应的精度要求和安全系数远比普通医疗设 备要求高，需要考虑众多关键参数来实现精度和安全。公知的血液净化设备一般只考虑超 滤率指标，采用单个称重传感器来反馈实际超滤率，存在只控制单个参数且精度不够高的 缺陷。
[0003] 中国专利CN202682434U公开了一种血液净化用蠕动累控制系统，设及一种血液 透析机部件，包括控制电路和电机驱动电路，所述控制电路的输出端连接所述电机驱动电 路的输入端，所述控制电路的第一输入端连接位置传感器的信号输出端，所述控制电路的 第二输入端连接角速度传感器的信号输出端，本实用新型能够快速调节蠕动累的转动速 度，使得蠕动累转动的速度稳定，使用时不易出现回流现象，由于保持蠕动累的转速稳定， 减小了蠕动累的损耗，提高了蠕动累的寿命，另外，本实用新型还具有无污染、精度高、密 封性好等优点。但是该专利未考虑血液净化仪存在多个蠕动累的情况。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于模糊PID 的血液净化仪多蠕动累模糊控制方法，将模糊控制和PID控制结合，同时对多个蠕动累进 行控制，综合考虑各参数的关系，对各参数的误差分别进行控制，最后综合系统误差，可W 大大提高各蠕动累的控制精度。
[0005] 本发明的目的可W通过W下技术方案来实现：
[0006] 一种血液净化仪多蠕动累模糊控制方法包括：
[0007] 步骤S1 ;采集血液净化仪中废液袋、透析液袋、补液袋的重量变化值；
[000引步骤S2 ;控制任务分配模块根据废液累、透析液累和补液累的流量设定值、超滤 率设定值W及步骤S1中=个重量变化值对应获得=个累的流量累积误差W及超滤率的流 量累积误差，废液累、透析液累和补液累均为蠕动累；
[0009] 步骤S3 ;模糊控制器将步骤S2中四个流量累积误差按照相应隶属函数获取其属 于模糊子集的隶属度，取隶属度最大的模糊子集作为模糊化结果，并根据模糊规则进行模 糊推理得到=个累对应的模糊流量补偿值所属的模糊子集和=个累对应的PID控制器指 示变量所属的模糊子集，对模糊流量补偿值和PID控制器指示变量所属的模糊子集进行解 模糊得到=个累的模糊流量补偿值和PID控制器指示变量；
[0010] 步骤S4;控制任务分配模块将步骤S3中PID控制器指示变量与=个累的流量累 积误差相乘后的数值输入至PID控制器；
[0011] 步骤S5 ;PID控制器根据控制任务分配模块步骤S4的输入，输出对应的PID流量 补偿值；
[0012] 步骤S6 个累的流量设定值减去模糊流量补偿值后与PID流量补偿值相加获取 对应的目标流量值，流量转电压模块将目标流量值转换为各累所需的电压值；
[0013] 步骤S7 个累的电机驱动模块接收各自累所需的电压值后驱动各自累。
[0014] 所述步骤S2中废液累、透析液累和补液累的流量累积误差却p、eDp、e,p满足W下公 式：
[00巧]
(0
[0016] 其中，Qpp、Qdp、Qw分别表示废液累、透析液累和补液累的流量设定值，AWpp、AWdp、 AWw分别表示时间t内废液累、透析液累和补液累的重量变化值，Ppp、PDP、Pw分别表示 废液袋、透析液袋、补液袋中液体密度；
[0017] 所述超滤率的流量累积误差eeuu满足W下公式：
[00化]ecLiu=/{QCLIU-(AWdp/PDP+AWrp/PRP-AWfp/PFP)A}化似
[0019] 其中，Qgliu表示超滤率设定值。
[0020] 所述步骤S2中流量累积误差和模糊流量补偿值对应的模糊子集均包括5个，即； 负大化、负小NS、正常醒、正小PS和正大化；
[0021] 所述步骤S3中PID控制器指示变量对应的模糊子集包括3个，即；关闭Close、半 开Semi和全开化en。
[002引所述流量累积误差对应的负大化、负小NS、正小PS和正大化采用梯形隶属函数， 所述正常醒采用两个Sigmoid型隶属函数之差组成的隶属函数。
[0023] 所述模糊流量补偿值对应的负大化和正大化采用梯形隶属函数，模糊流量补偿 值对应的负小NS和正小PS采用S角形隶属函数，模糊流量补偿值对应的正常NM采用两个 Sigmoid型隶属函数之差组成的隶属函数。
[0024] 所述PID控制器指示变量对应的关闭Close、半开Semi和全开化en采用=角形隶 属函数。
[0025] 所述步骤S3中模糊规则包括：
[0026] 1)当超滤率的流量累积误差为正常M，根据累的流量累积误差分别对相应的模 糊流量补偿值进行判断输出，同时输出相应的PID控制器指示变量；
[0027]。当超滤率的流量累积误差为负大化、负小NS、正小PS或正大PL，仅对废液累和 补液累的模糊流量补偿值进行判断输出。
[0028] 在模糊规则1)中，当累的流量累积误差为正常醒，则输出对应的PID控制器指示 变量为全开化en，PID控制器仅采用比例单元输出PID流量补偿值；
[0029] 当累的流量累积误差为负大化或正大化，则输出对应的PID控制器指示变量为关 闭Close,PID控制器同时采用比例单元、积分单元和微分单元输出PID流量补偿值；
[0030] 当累的流量累积误差为负小NS或正小PS，则输出对应的PID控制器指示变量为半 开Semi,PID控制器同时采用比例单元、积分单元和微分单元输出PID流量补偿值。
[0031] 所述步骤S3中采用最大隶属度平均值法进行解模糊。
[0032] 所述PID控制器的控制规律满足W下公式：
[0033]
C3)
[0034]其中，AQpid.fp、AQpid.dp、AQpid.kp分别表示废液累、透析液累和补液累的PID流量 补偿值，Kp表示比例系数，KI表示积分系数，KD表示微分系数，e'PP、e'DP、e'w分别表示PID 控制器指示变量与废液累、透析液累和补液累的流量累积误差相乘后的数值。
[0035] 与现有技术相比，本发明具有W下优点：
[0036] 1)现有的血液净化仪设备采用单个称重传感器来反馈实际超滤率，没有对多个蠕 动累联合综合控制，存在只控制单个参数且精度不够高的缺陷，本发明方法将传统的一个 称重传感器，增加到=个，分别跟踪废液累、透析液累、补液累输出流量的变化，从而保证血 液净化仪的测量精度。
[0037]。本发明方法将模糊控制和PID控制结合，综合考虑各参数的关系，对各参数的 误差分别进行控制，最后综合系统误差，可W大大提高各蠕动累的控制精度，并且可消除了 误差随治疗时间加长而产生的时间累加效应。
[003引3)本发明结构简单，易于实现，适于对血液净化仪的多个蠕动累进行控制，具有较 强的实际意义和广阔的应用前景。
【附图说明】
[0039] 图1为本发明方法流程示意图；
[0040] 图2为本发明中血液净化仪的结构示意图；
[0041]图3为模糊化单元中流量累积值所对应的各模糊子集隶属函数；
[0042] 图4为解模糊单元中模糊流量补偿值对应的各模糊子集隶属函数；
[0043] 图5为PID输出控制变量对应的各模糊子集隶属函数。
[0044] 图中：1、控制任务分配模块，2、模糊控制器，3、PID控制器，4、流量转电压模块，5、 第一数据采集模块，6、电机驱动模块，7、蠕动累，8、称重传感器，9、第二数据采集模块，10、 废液累，11、透析液累，12、补液累，13、透析器，14、血液回路，15、废液袋，16、透析液袋，17、 补液袋，21、模糊规则单元，22、模糊化单元，23、模糊推理机，24、解模糊单元。
【具体实施方式】
[0045] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例W本发明技术方案 为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。
[0046]本发明为解决在研制国产血液净化仪的过程中发现的问题而提出一种血液净化 仪多蠕动累模糊控制方法，如图2所示，血液净化仪中包括废液累10(简称FP)、透析液累 11(简称DP)、补液累12(简称RP)、血累和透析器13,血液回路14上的血累驱动人体血液 经透析器13进行血液净化后回到人体，废液累10设于透析器13上，透析器13膜外的液体 由废液累10驱动流入废液袋15,透析液累11设于透析器13上，透析液袋16液体由透析液 累11流入透析器13膜外，补液累12设于透析器13入口处的血液回路14上，补液袋17液 体由补液累12流入血液回路14,其中废液累10、透析液累11、补液累12均为蠕动累7。如 图1所示，在上述血液净化仪中设置控制任务分配模块1、模糊控制器2、PID控制器3、流量 转电压模块4、与FP、DP、RP对应的S个电机驱动模块6W及与废液袋15、透析液袋16、补 液袋17对应的=个称重传感器8,模糊控制器2包括模糊化单元22、模糊推理机23、解模糊 单元24和用于提供模糊规则的模糊规则单元21，如图1所示，血液净化仪多蠕动累模糊控 制方法包括：
[0047] 步骤S1;通过=个称重传感器8采集血液净化仪中时间t内废液袋15、透析液袋 16、补液袋17的重量变化值AWpp、AWdp、AWkp，并由第二数据采集模块9(例如NI6008DAQ 数据采集卡 ）对称重传感器8采集的模拟信号进行AD转换。
[0048] 步骤S2;控制任务分配模块1根据废液累10、透析液累11和补液累12的流量设 定值Qpp、QDP、QKP、超滤率设定值QcuuW及步骤Sl中ミ个重量变化值对应获得FP的流量累积 误差epp、DP的流量累积误差Gdp、RP的流量累积误差eKpW及超滤率的流量累积误差eCUU。
[0049] 其中，废液累10、透析液累11和补液累12的流量累积误差epp、eDp、eKp满足W下公 式：
[0050]
(1)
[0化^ 其中，PPP、PDP、PKP分别表示废液袋15、透析液袋16、补液袋17中液体密度。[0052] 超滤率为透析液累流量+补液累流量-废液累流量，其误差为超滤率设定值-超 滤率实际值，将此误差对时间进行积分后得到超滤率的流量累积误差，则超滤率的流量累 积误差eeuu满足W下公式：
[005引 6化1尸/{QCLIU-(AWdp/PDP+A胖胖/PKP-AWfp/PFP)八}化似。
[0054] 步骤S3 ;模糊控制器2在模糊规则单元21中设定模糊规则，并接收步骤S2中四 个流量累积误差进行W下操作：
[0055] 301 ;模糊化单元22根据模糊规则将四个流量累积误差按照相应隶属函数获取其 属于模糊子集的隶属度，取隶属度最大的模糊子集作为模糊化结果，并输入到模糊推理机 23。
[0化6] 四个流量累积误差的模糊规则为；设定流量累积误差对应的模糊子集包括5个， 良P;负大化、负小NS、正常醒、正小PS和正大化。
[0化7] 如图3所示，流量累积误差对应的负大化、负小NS、正小PS和正大化采用梯形 (Trapezoid)隶属函数f(X，a。bi,Cl,di)，满足W下公式： (4)
[005引
[0化9]其中，X为输入值，a。b。Cl,di为梯形隶属函数中的参数，满足下表：
[0060] 表 1
[0061]
[006引流量累积误差对应的正常醒采用两个Sigmoid型隶属函数之差组成的隶属函数f(X,a]。C]。322, 〇22)，V两足 下公式：
[0063]
(5)
[0064] 其中，X为输入值，321，C21，322, C22为梯形隶属函数中的参数，满足下表：
[00化]表2
[0066]
[0067] 302 ;模糊推理机23根据模糊规则进行模糊推理，得到S个累对应的模糊流量补 偿值所属的模糊子集和=个累对应的PID控制器指示变量所属的模糊子集，=个累对应的 模糊流量补偿值和PID控制器指示变量所属的模糊子集输入到解模糊模块。
[0068] S个累对应的模糊流量补偿值AQwzzy,W、AQwzzy^dp和AQwzzYiKP的模糊规则为：设 定模糊流量补偿值对应的模糊子集包括5个，即；负大化、负小NS、正常醒、正小PS和正大 PL。
[0069] 设定PID控制器指示变量对应的模糊子集包括3个，即；关闭Close、半开Semi和 全开化en。
[0070] 将模糊推理机23的模糊规则用命令语句表示，epp表示为FPE，eDP表示为DPE，eKP 表示为RPE，Gcliu表示为化lu，AQfuzzy，fp表示为FPQ，AQfuzzy，dp表示为DPQ，AQfuzzy，kp表示为RPQ，废液累10的PID控制器指示变量表示为FPPID，透析液累11的PID控制器指示变量表 示为DPPID，补液累12的PID控制器指示变量表示为RPPID，则模糊推理机23的模糊规则 包括：
[007U 1)当超滤率的流量累积误差为正常值时，即化IUG正常NM，根据累的流量累积误 差分别对相应的模糊流量补偿值进行判断输出，同时输出相应的PID控制器指示变量。此 时，各累进入较高精度工况中运行时，PID控制器3介入控制，把各累的误差控制在最小范 围内。
[007引在模糊规则1)中，当累的流量累积误差为正常醒，则输出对应的PID控制器指示 变量为全开化en，为了减少调整时间，PID控制器3仅采用比例单元输出PID流量补偿值， 使小误差工况（流量累积误差《8mL)向更高精度工况（流量累积误差《5mL)过渡，且对 应累的模糊流量补偿值为正常醒。
[0073] 命令语句有；
[0074] IF卞阳'IS <NM'AND乂LIU'IS <NM'T肥N卞PQ'IS <NM'ALSO卞PPID'IS <Open'；
[007引 IF<DW，IS'NM，AND<CLIU，IS'NM，?EN<DPQ，IS'NM，ALSO<DPPID，IS'Open，；
[0076] IF 'RPE'IS 'NM'AND 'CLIU'IS 'NM'T肥N 'RPQ'IS 'NM'ALSO 'RPPID'IS <Open，。
[0077] 当累的流量累积误差为负大化或正大化，则输出对应的PID控制器指示变量为关 闭Close, PID控制器3同时采用比例单元、积分单元和微分单元输出PID流量补偿值，且对 应累的模糊流量补偿值为正大化或负大化。
[007引命令语句有；
[0079] IF 卞阳'IS <NL'AND 'CLIU'IS 'NM'T肥N 卞PQ'IS <PL'ALS0 卞PPID'IS 乂lose'；
[0080] IF <0阳'18 '化'AND 'CLIU'IS 'NM'raEN <DPQ'IS <PL'ALS0 <DPPID'IS 乂lose'；
[OOW] IF <WE'IS <NL'AND 'CLIU'IS 'NM'T肥N 'RPQ'IS <PL'ALS0 'RPPID'IS 乂lose'；
[008引IFtW'IS<PL'AND^LIU'IS<NM'?ENtPQ'IS<M/ALSOtPPID'IS<Close'；[008引 IF <0阳'18 <PL'AND 'CLIU'IS 'NM'raEN <DPQ'IS <NL'ALS0 <DPPID'IS 乂lose'；
[0084] IF 'RPE'IS'化'AND 'CLIU'IS'NM'T肥N 'RPQ'IS'化'ALSO 'RPPID'IS 'Close'。
[0085] 当累的流量累积误差为负小NS或正小PS,则输出对应的PID控制器指示变量为半 开Semi, PID控制器3同时采用比例单元、积分单元和微分单元输出PID流量补偿值，且对 应累的模糊流量补偿值为正小PS或负小NS。
[0086] 命令语句有；
[0087] IF 卞阳'IS 'NS'AND 'CLIU'IS 'NM'T肥N 卞PQ'IS 'PS'ALSO 卞PPID'IS 'Semi'；
[00能]IF <0阳'18 'NS'AND 'CLIU'IS 'NM'raEN <DPQ'IS <PS'ALS0 <DPPID'IS 'Semi'；
[0089] IF 'RF阳'IS 'NS'AND 'CLIU'IS 'NM'T肥N 'RPQ'IS <PS'ALS0 'RPPID'IS 'Semi'；
[0090] IF 卞阳'IS 'PS'AND 'CLIU'IS 'NM'T肥N 卞PQ'IS 'NS'ALSO 卞PPID'IS 'Semi';
[OOW] IF<DW'IS<PS'AND<CLIU'IS'NM'?EN<DPQ'IS<NS'ALSO<DPPID'IS<Semi'；[009引IF 'RPE'IS 'PS'AND 'CLIU'IS 'NM'T肥N 'RPQ'IS <NS，ALS0 'RPPID'IS <Semi，。 [0093] 2)当超滤率的流量累积误差为负大化、负小NS、正小PS或正大化，即不在正常范 围，仅对废液累10和补液累12的模糊流量补偿值进行判断输出，透析液累11维持原控制 规律，而不考虑废液累10、透析液累11和补液累12当前的流量累积误差，W此在最短时间 内消除超滤率误差。
[0094] 命令语句有；
[00巧]IF乂LIU'IS<化'T肥N卞PQ'IS<PL'ALSO卞PQ'IS<NS'；
[0096]IF 乂LIU' IS <NS' T肥N 卞PQ' IS <PS' ALSO 卞PQ' IS <NM'；
[0097]IF 乂LIU' IS <PS' T肥N 卞PQ' IS <NS' ALSO 卞PQ' IS <NM'；
[009引IF 乂LIU' IS <PL' T肥N 卞PQ' IS <NL'ALSO 卞PQ' IS <NS'。
[0099] 303;解模糊单元24根据模糊规则对模糊流量补偿值和PID控制器指示变量所属 的模糊子集进行解模糊得到=个累的模糊流量补偿值和PID控制器指示变量，=个累对应 的PID控制器指示变量输入到控制任务分配模块1。解模糊的目的是把模糊值转化为清晰 值，该里采用最大隶属度平均值法解模糊。比如输出的是化，考察化最大隶属度对应的横 坐标值（图4)，可能有多个点，取该些点的平均值作为清晰化后的值。其中，Close、Semi和 化en作特殊处理，清晰化后得到的值进行归一化处理，即其清晰值映射到[0，1]区间。
[0100] 在步骤302中，如图4所示，模糊流量补偿值对应的负大化和正大化采用梯形隶 属函数f(X，a。bi，Cl, di)，满足W下公式（4)，其中，a。bi，Cl, di满足下表：
[0101] 表 3
[0102]
[0103] 模糊流量补偿值对应的正常醒采用两个Sigmoid型隶属函数之差组成的隶属函 数f(X, 321，C21, 322,C22)，满足W下公式巧），其中，321，C21, 322,C22为梯形隶属函数中的参数， 满足下表：
[0104]表 4
[0105]
[0106] 模糊流量补偿值对应的负小NS和正小PS采用S角形隶属函数f(X，33,bs，C3)，满 足W下公式：
[0107] (6J
[0108] 其中，X为输入值，33,bs，C3为S角形隶属函数中的参数，满足下表：
[0109] 表 5
[0110]
[0111] 如图5所示，Close、Semi、化en均采用S角形隶属函数，满足公式化），函数中对 应参数取值如下：
[0112] 表 6 [011 引
[0114] 步骤S4 ;控制任务分配模块1将步骤S3中PID控制器指示变量与=个累的流量 累积误差相乘后的数值输入至PID控制器3。
[0115] Close是一个模糊变量，例如：根据303的接模糊方法，其对应的清晰值为0. 01 ; 同理，Semi对应的清晰值为5,化en为9. 99,归一化后分别为0. 001、0. 5、1，则此时关闭 Close,用于指示控制任务分配模块1输出至PID控制器3的流量累积误差为0 ;半开Semi， 用于指示控制任务分配模块1输出至PID控制器3的流量累积误差为原来的一半；全开 化en，用于指示控制任务分配模块1输出至PID控制器3的流量累积误差为原值。
[0116] 步骤S5 ;=个PID控制器3根据控制任务分配模块1步骤S4的输入，输出PID流 量补偿值。
[0117] PID控制器3包括比例单元、积分单元和微分单元，其控制规律满足W下公式：
[0118]
(3)
[0119] 其中，AQpiD.FP、AQpiD.DP、AQpiD.KP分别表示废液累10、透析液累11和补液累12的 PID流量补偿值，Kp表示比例系数，KI表示积分系数，KD表示微分系数，e'W、e'DP、e'W分别 表示PID控制器指示变量与废液累10、透析液累11和补液累12的流量累积误差相乘后的 数值。根据公式（1)对epp、eDp、egp的定义，当6。。、6。。、6^为正时，表示实际流量低于设定值， 需要增大流量，即流量补偿值应为正。Kp、Ki、Kd的取值应满足此要求。当Ki= 0和Kd= 0， PID控制器3仅采用比例单元，则有Kp〉0且6fp，6dp，如〉0,那么AQpid.fp、AQpid.dp、AQpid.kp为 正。
[0120] 步骤S6 个累的流量设定值减去模糊流量补偿值后与PID流量补偿值相加获取 对应的目标流量值，流量转电压模块4将目标流量值转换为各累所需的电压值。目标流量 值的数值关系用W下公式表示：
[0121]
(7)
[om] 其中，9'^、9^、9'^分别表示废液累1〇、透析液累11和补液累12的目标流量值。
[0123] 步骤S7 个累的电机驱动模块6接收经第一数据采集模块5 (例如NI6008DAQ数 据采集卡）DA处理后的各自累所需的电压值，进而驱动各自累。
[0124] 当流量累积误差为正时，说明蠕动累7实际输出流量低于设定值，此时PID控制器 3输出的PID流量补偿值为正，模糊控制器2输出的模糊流量补偿值为负，结合流量设定值 后，输入至流量转电压模块4的流量值就会比流量设定值大，输出的电压也会相应增大，于 是电机转速变快，输出流量增大，从而达到减小流量累积误差的目的。
【主权项】
1. 一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法，其特征在于，包括： 步骤S1 :采集血液净化仪中废液袋、透析液袋、补液袋的重量变化值； 步骤S2 :控制任务分配模块根据废液泵、透析液泵和补液泵的流量设定值、超滤率设 定值以及步骤S1中三个重量变化值对应获得三个泵的流量累积误差以及超滤率的流量累 积误差； 步骤S3 :模糊控制器将步骤S2中四个流量累积误差按照相应隶属函数获取其属于模 糊子集的隶属度，取隶属度最大的模糊子集作为模糊化结果，并根据模糊规则进行模糊推 理得到三个泵对应的模糊流量补偿值所属的模糊子集和三个泵对应的PID控制器指示变 量所属的模糊子集，对模糊流量补偿值和PID控制器指示变量所属的模糊子集进行解模糊 得到三个泵的模糊流量补偿值和PID控制器指示变量； 步骤S4:控制任务分配模块将步骤S3中PID控制器指示变量与三个泵的流量累积误 差相乘后的数值输入至PID控制器； 步骤S5 :PID控制器根据控制任务分配模块步骤S4的输入，输出对应的PID流量补偿 值； 步骤S6:三个泵的流量设定值减去模糊流量补偿值后与PID流量补偿值相加获取对应 的目标流量值，流量转电压模块将目标流量值转换为各泵所需的电压值； 步骤S7:三个泵的电机驱动模块接收各自泵所需的电压值后驱动各自泵。2. 根据权利要求1所述的一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法，其特征在于，所述 步骤S2中废液泵、透析液泵和补液泵的流量累积误差eFP、eDP、eKP满足以下公式：其中，Qfp、Qdp、Qkp分别表示废液泵、透析液泵和补液泵的流量设定值，AWfp、AWdp、AWkp 分别表示时间t内废液泵、透析液泵和补液泵的重量变化值，pfp、pdp、pkp分别表示废液 袋、透析液袋、补液袋中液体密度； 所述超滤率的流量累积误差eaiu满足以下公式： eCLIU= I {Q CLIU- ( A WDP/ P DP+ A WKP/ p KP- A WFP/ p FP) /t} dt (2) 其中，Qeuu表示超滤率设定值。3. 根据权利要求1所述的一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法，其特征在于，所述 步骤S2中流量累积误差和模糊流量补偿值对应的模糊子集均包括5个，S卩：负大NL、负小 NS、正常匪、正小PS和正大PL; 所述步骤S3中PID控制器指示变量对应的模糊子集包括3个，S卩：关闭Close、半开Semi和全开Open。4. 根据权利要求3所述的一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法，其特征在于，所述 流量累积误差对应的负大NL、负小NS、正小PS和正大PL采用梯形隶属函数，所述正常匪 采用两个Sigmoid型隶属函数之差组成的隶属函数。5. 根据权利要求3所述的一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法，其特征在于，所述 模糊流量补偿值对应的负大NL和正大PL采用梯形隶属函数，模糊流量补偿值对应的负小NS和正小PS采用三角形隶属函数，模糊流量补偿值对应的正常NM采用两个Sigmoid型隶 属函数之差组成的隶属函数。6. 根据权利要求3所述的一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法，其特征在于，所述 PID控制器指示变量对应的关闭Close、半开Semi和全开Open采用三角形隶属函数。7. 根据权利要求3所述的一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法，其特征在于，所述 步骤S3中模糊规则包括： 1) 当超滤率的流量累积误差为正常NM，根据泵的流量累积误差分别对相应的模糊流 量补偿值进行判断输出，同时输出相应的PID控制器指示变量； 2) 当超滤率的流量累积误差为负大NL、负小NS、正小PS或正大PL，仅对废液泵和补液 泵的模糊流量补偿值进行判断输出。8. 根据权利要求7所述的一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法，其特征在于，在模 糊规则1)中，当泵的流量累积误差为正常匪，则输出对应的PID控制器指示变量为全开 Open，PID控制器仅采用比例单元输出PID流量补偿值； 当泵的流量累积误差为负大NL或正大PL，则输出对应的PID控制器指示变量为关闭Close，PID控制器同时采用比例单元、积分单元和微分单元输出PID流量补偿值； 当泵的流量累积误差为负小NS或正小PS，则输出对应的PID控制器指示变量为半开Semi，PID控制器同时采用比例单元、积分单元和微分单元输出PID流量补偿值。9. 根据权利要求1所述的一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法，其特征在于，所述 步骤S3中采用最大隶属度平均值法进行解模糊。10. 根据权利要求1所述的一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法，其特征在于，所述 PID控制器的控制规律满足以下公式：其中，AQPIDFP、AQPIDDP、AQPID，分别表示废液泵、透析液泵和补液泵的PID流量补偿 值，KP表不比例系数，K1表不积分系数，KD表不微分系数，e'FP、e'DP、e'KP分别表不PID控制 器指示变量与废液泵、透析液泵和补液泵的流量累积误差相乘后的数值。
【专利摘要】本发明涉及一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法，包括采集重量变化值；控制任务分配模块根据废液泵、透析液泵和补液泵的流量设定值以及重量变化值对应获得三个泵的流量累积误差以及超滤率的流量累积误差；模糊控制器由流量累积误差得到三个泵对应的PID控制器指示变量和模糊流量补偿值；控制任务分配模块根据PID控制器指示变量将三个泵的流量累积误差输入至PID控制器；三个PID控制器输出PID流量补偿值；流量转电压模块根据三个泵的流量设定值、模糊流量补偿值和PID流量补偿值获取目标流量值并转换为电压值；电机驱动模块接收电压值后驱动各自泵。与现有技术相比，本发明具有结构简单、精度高、应用方便等优点。
【IPC分类】A61M1/14
【公开号】CN104906645
【申请号】CN201510182388
【发明人】费冬冬, 邓琛, 张琴舜, 黄祖良
【申请人】上海工程技术大学
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2015年4月17日
【技术领域】
[0001] 本发明设及医疗器械技术领域，尤其是设及一种血液净化仪多蠕动累模糊控制方 法。
【背景技术】
[0002] 血液净化设备用途是血液净化治疗，相应的精度要求和安全系数远比普通医疗设 备要求高，需要考虑众多关键参数来实现精度和安全。公知的血液净化设备一般只考虑超 滤率指标，采用单个称重传感器来反馈实际超滤率，存在只控制单个参数且精度不够高的 缺陷。
[0003] 中国专利CN202682434U公开了一种血液净化用蠕动累控制系统，设及一种血液 透析机部件，包括控制电路和电机驱动电路，所述控制电路的输出端连接所述电机驱动电 路的输入端，所述控制电路的第一输入端连接位置传感器的信号输出端，所述控制电路的 第二输入端连接角速度传感器的信号输出端，本实用新型能够快速调节蠕动累的转动速 度，使得蠕动累转动的速度稳定，使用时不易出现回流现象，由于保持蠕动累的转速稳定， 减小了蠕动累的损耗，提高了蠕动累的寿命，另外，本实用新型还具有无污染、精度高、密 封性好等优点。但是该专利未考虑血液净化仪存在多个蠕动累的情况。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于模糊PID 的血液净化仪多蠕动累模糊控制方法，将模糊控制和PID控制结合，同时对多个蠕动累进 行控制，综合考虑各参数的关系，对各参数的误差分别进行控制，最后综合系统误差，可W 大大提高各蠕动累的控制精度。
[0005] 本发明的目的可W通过W下技术方案来实现：
[0006] 一种血液净化仪多蠕动累模糊控制方法包括：
[0007] 步骤S1 ;采集血液净化仪中废液袋、透析液袋、补液袋的重量变化值；
[000引步骤S2 ;控制任务分配模块根据废液累、透析液累和补液累的流量设定值、超滤 率设定值W及步骤S1中=个重量变化值对应获得=个累的流量累积误差W及超滤率的流 量累积误差，废液累、透析液累和补液累均为蠕动累；
[0009] 步骤S3 ;模糊控制器将步骤S2中四个流量累积误差按照相应隶属函数获取其属 于模糊子集的隶属度，取隶属度最大的模糊子集作为模糊化结果，并根据模糊规则进行模 糊推理得到=个累对应的模糊流量补偿值所属的模糊子集和=个累对应的PID控制器指 示变量所属的模糊子集，对模糊流量补偿值和PID控制器指示变量所属的模糊子集进行解 模糊得到=个累的模糊流量补偿值和PID控制器指示变量；
[0010] 步骤S4;控制任务分配模块将步骤S3中PID控制器指示变量与=个累的流量累 积误差相乘后的数值输入至PID控制器；
[0011] 步骤S5 ;PID控制器根据控制任务分配模块步骤S4的输入，输出对应的PID流量 补偿值；
[0012] 步骤S6 个累的流量设定值减去模糊流量补偿值后与PID流量补偿值相加获取 对应的目标流量值，流量转电压模块将目标流量值转换为各累所需的电压值；
[0013] 步骤S7 个累的电机驱动模块接收各自累所需的电压值后驱动各自累。
[0014] 所述步骤S2中废液累、透析液累和补液累的流量累积误差却p、eDp、e,p满足W下公 式：
[00巧]
(0
[0016] 其中，Qpp、Qdp、Qw分别表示废液累、透析液累和补液累的流量设定值，AWpp、AWdp、 AWw分别表示时间t内废液累、透析液累和补液累的重量变化值，Ppp、PDP、Pw分别表示 废液袋、透析液袋、补液袋中液体密度；
[0017] 所述超滤率的流量累积误差eeuu满足W下公式：
[00化]ecLiu=/{QCLIU-(AWdp/PDP+AWrp/PRP-AWfp/PFP)A}化似
[0019] 其中，Qgliu表示超滤率设定值。
[0020] 所述步骤S2中流量累积误差和模糊流量补偿值对应的模糊子集均包括5个，即； 负大化、负小NS、正常醒、正小PS和正大化；
[0021] 所述步骤S3中PID控制器指示变量对应的模糊子集包括3个，即；关闭Close、半 开Semi和全开化en。
[002引所述流量累积误差对应的负大化、负小NS、正小PS和正大化采用梯形隶属函数， 所述正常醒采用两个Sigmoid型隶属函数之差组成的隶属函数。
[0023] 所述模糊流量补偿值对应的负大化和正大化采用梯形隶属函数，模糊流量补偿 值对应的负小NS和正小PS采用S角形隶属函数，模糊流量补偿值对应的正常NM采用两个 Sigmoid型隶属函数之差组成的隶属函数。
[0024] 所述PID控制器指示变量对应的关闭Close、半开Semi和全开化en采用=角形隶 属函数。
[0025] 所述步骤S3中模糊规则包括：
[0026] 1)当超滤率的流量累积误差为正常M，根据累的流量累积误差分别对相应的模 糊流量补偿值进行判断输出，同时输出相应的PID控制器指示变量；
[0027]。当超滤率的流量累积误差为负大化、负小NS、正小PS或正大PL，仅对废液累和 补液累的模糊流量补偿值进行判断输出。
[0028] 在模糊规则1)中，当累的流量累积误差为正常醒，则输出对应的PID控制器指示 变量为全开化en，PID控制器仅采用比例单元输出PID流量补偿值；
[0029] 当累的流量累积误差为负大化或正大化，则输出对应的PID控制器指示变量为关 闭Close,PID控制器同时采用比例单元、积分单元和微分单元输出PID流量补偿值；
[0030] 当累的流量累积误差为负小NS或正小PS，则输出对应的PID控制器指示变量为半 开Semi,PID控制器同时采用比例单元、积分单元和微分单元输出PID流量补偿值。
[0031] 所述步骤S3中采用最大隶属度平均值法进行解模糊。
[0032] 所述PID控制器的控制规律满足W下公式：
[0033]
C3)
[0034]其中，AQpid.fp、AQpid.dp、AQpid.kp分别表示废液累、透析液累和补液累的PID流量 补偿值，Kp表示比例系数，KI表示积分系数，KD表示微分系数，e'PP、e'DP、e'w分别表示PID 控制器指示变量与废液累、透析液累和补液累的流量累积误差相乘后的数值。
[0035] 与现有技术相比，本发明具有W下优点：
[0036] 1)现有的血液净化仪设备采用单个称重传感器来反馈实际超滤率，没有对多个蠕 动累联合综合控制，存在只控制单个参数且精度不够高的缺陷，本发明方法将传统的一个 称重传感器，增加到=个，分别跟踪废液累、透析液累、补液累输出流量的变化，从而保证血 液净化仪的测量精度。
[0037]。本发明方法将模糊控制和PID控制结合，综合考虑各参数的关系，对各参数的 误差分别进行控制，最后综合系统误差，可W大大提高各蠕动累的控制精度，并且可消除了 误差随治疗时间加长而产生的时间累加效应。
[003引3)本发明结构简单，易于实现，适于对血液净化仪的多个蠕动累进行控制，具有较 强的实际意义和广阔的应用前景。
【附图说明】
[0039] 图1为本发明方法流程示意图；
[0040] 图2为本发明中血液净化仪的结构示意图；
[0041]图3为模糊化单元中流量累积值所对应的各模糊子集隶属函数；
[0042] 图4为解模糊单元中模糊流量补偿值对应的各模糊子集隶属函数；
[0043] 图5为PID输出控制变量对应的各模糊子集隶属函数。
[0044] 图中：1、控制任务分配模块，2、模糊控制器，3、PID控制器，4、流量转电压模块，5、 第一数据采集模块，6、电机驱动模块，7、蠕动累，8、称重传感器，9、第二数据采集模块，10、 废液累，11、透析液累，12、补液累，13、透析器，14、血液回路，15、废液袋，16、透析液袋，17、 补液袋，21、模糊规则单元，22、模糊化单元，23、模糊推理机，24、解模糊单元。
【具体实施方式】
[0045] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例W本发明技术方案 为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。
[0046]本发明为解决在研制国产血液净化仪的过程中发现的问题而提出一种血液净化 仪多蠕动累模糊控制方法，如图2所示，血液净化仪中包括废液累10(简称FP)、透析液累 11(简称DP)、补液累12(简称RP)、血累和透析器13,血液回路14上的血累驱动人体血液 经透析器13进行血液净化后回到人体，废液累10设于透析器13上，透析器13膜外的液体 由废液累10驱动流入废液袋15,透析液累11设于透析器13上，透析液袋16液体由透析液 累11流入透析器13膜外，补液累12设于透析器13入口处的血液回路14上，补液袋17液 体由补液累12流入血液回路14,其中废液累10、透析液累11、补液累12均为蠕动累7。如 图1所示，在上述血液净化仪中设置控制任务分配模块1、模糊控制器2、PID控制器3、流量 转电压模块4、与FP、DP、RP对应的S个电机驱动模块6W及与废液袋15、透析液袋16、补 液袋17对应的=个称重传感器8,模糊控制器2包括模糊化单元22、模糊推理机23、解模糊 单元24和用于提供模糊规则的模糊规则单元21，如图1所示，血液净化仪多蠕动累模糊控 制方法包括：
[0047] 步骤S1;通过=个称重传感器8采集血液净化仪中时间t内废液袋15、透析液袋 16、补液袋17的重量变化值AWpp、AWdp、AWkp，并由第二数据采集模块9(例如NI6008DAQ 数据采集卡 ）对称重传感器8采集的模拟信号进行AD转换。
[0048] 步骤S2;控制任务分配模块1根据废液累10、透析液累11和补液累12的流量设 定值Qpp、QDP、QKP、超滤率设定值QcuuW及步骤Sl中ミ个重量变化值对应获得FP的流量累积 误差epp、DP的流量累积误差Gdp、RP的流量累积误差eKpW及超滤率的流量累积误差eCUU。
[0049] 其中，废液累10、透析液累11和补液累12的流量累积误差epp、eDp、eKp满足W下公 式：
[0050]
(1)
[0化^ 其中，PPP、PDP、PKP分别表示废液袋15、透析液袋16、补液袋17中液体密度。[0052] 超滤率为透析液累流量+补液累流量-废液累流量，其误差为超滤率设定值-超 滤率实际值，将此误差对时间进行积分后得到超滤率的流量累积误差，则超滤率的流量累 积误差eeuu满足W下公式：
[005引 6化1尸/{QCLIU-(AWdp/PDP+A胖胖/PKP-AWfp/PFP)八}化似。
[0054] 步骤S3 ;模糊控制器2在模糊规则单元21中设定模糊规则，并接收步骤S2中四 个流量累积误差进行W下操作：
[0055] 301 ;模糊化单元22根据模糊规则将四个流量累积误差按照相应隶属函数获取其 属于模糊子集的隶属度，取隶属度最大的模糊子集作为模糊化结果，并输入到模糊推理机 23。
[0化6] 四个流量累积误差的模糊规则为；设定流量累积误差对应的模糊子集包括5个， 良P;负大化、负小NS、正常醒、正小PS和正大化。
[0化7] 如图3所示，流量累积误差对应的负大化、负小NS、正小PS和正大化采用梯形 (Trapezoid)隶属函数f(X，a。bi,Cl,di)，满足W下公式： (4)
[005引
[0化9]其中，X为输入值，a。b。Cl,di为梯形隶属函数中的参数，满足下表：
[0060] 表 1
[0061]
[006引流量累积误差对应的正常醒采用两个Sigmoid型隶属函数之差组成的隶属函数f(X,a]。C]。322, 〇22)，V两足 下公式：
[0063]
(5)
[0064] 其中，X为输入值，321，C21，322, C22为梯形隶属函数中的参数，满足下表：
[00化]表2
[0066]
[0067] 302 ;模糊推理机23根据模糊规则进行模糊推理，得到S个累对应的模糊流量补 偿值所属的模糊子集和=个累对应的PID控制器指示变量所属的模糊子集，=个累对应的 模糊流量补偿值和PID控制器指示变量所属的模糊子集输入到解模糊模块。
[0068] S个累对应的模糊流量补偿值AQwzzy,W、AQwzzy^dp和AQwzzYiKP的模糊规则为：设 定模糊流量补偿值对应的模糊子集包括5个，即；负大化、负小NS、正常醒、正小PS和正大 PL。
[0069] 设定PID控制器指示变量对应的模糊子集包括3个，即；关闭Close、半开Semi和 全开化en。
[0070] 将模糊推理机23的模糊规则用命令语句表示，epp表示为FPE，eDP表示为DPE，eKP 表示为RPE，Gcliu表示为化lu，AQfuzzy，fp表示为FPQ，AQfuzzy，dp表示为DPQ，AQfuzzy，kp表示为RPQ，废液累10的PID控制器指示变量表示为FPPID，透析液累11的PID控制器指示变量表 示为DPPID，补液累12的PID控制器指示变量表示为RPPID，则模糊推理机23的模糊规则 包括：
[007U 1)当超滤率的流量累积误差为正常值时，即化IUG正常NM，根据累的流量累积误 差分别对相应的模糊流量补偿值进行判断输出，同时输出相应的PID控制器指示变量。此 时，各累进入较高精度工况中运行时，PID控制器3介入控制，把各累的误差控制在最小范 围内。
[007引在模糊规则1)中，当累的流量累积误差为正常醒，则输出对应的PID控制器指示 变量为全开化en，为了减少调整时间，PID控制器3仅采用比例单元输出PID流量补偿值， 使小误差工况（流量累积误差《8mL)向更高精度工况（流量累积误差《5mL)过渡，且对 应累的模糊流量补偿值为正常醒。
[0073] 命令语句有；
[0074] IF卞阳'IS <NM'AND乂LIU'IS <NM'T肥N卞PQ'IS <NM'ALSO卞PPID'IS <Open'；
[007引 IF<DW，IS'NM，AND<CLIU，IS'NM，?EN<DPQ，IS'NM，ALSO<DPPID，IS'Open，；
[0076] IF 'RPE'IS 'NM'AND 'CLIU'IS 'NM'T肥N 'RPQ'IS 'NM'ALSO 'RPPID'IS <Open，。
[0077] 当累的流量累积误差为负大化或正大化，则输出对应的PID控制器指示变量为关 闭Close, PID控制器3同时采用比例单元、积分单元和微分单元输出PID流量补偿值，且对 应累的模糊流量补偿值为正大化或负大化。
[007引命令语句有；
[0079] IF 卞阳'IS <NL'AND 'CLIU'IS 'NM'T肥N 卞PQ'IS <PL'ALS0 卞PPID'IS 乂lose'；
[0080] IF <0阳'18 '化'AND 'CLIU'IS 'NM'raEN <DPQ'IS <PL'ALS0 <DPPID'IS 乂lose'；
[OOW] IF <WE'IS <NL'AND 'CLIU'IS 'NM'T肥N 'RPQ'IS <PL'ALS0 'RPPID'IS 乂lose'；
[008引IFtW'IS<PL'AND^LIU'IS<NM'?ENtPQ'IS<M/ALSOtPPID'IS<Close'；[008引 IF <0阳'18 <PL'AND 'CLIU'IS 'NM'raEN <DPQ'IS <NL'ALS0 <DPPID'IS 乂lose'；
[0084] IF 'RPE'IS'化'AND 'CLIU'IS'NM'T肥N 'RPQ'IS'化'ALSO 'RPPID'IS 'Close'。
[0085] 当累的流量累积误差为负小NS或正小PS,则输出对应的PID控制器指示变量为半 开Semi, PID控制器3同时采用比例单元、积分单元和微分单元输出PID流量补偿值，且对 应累的模糊流量补偿值为正小PS或负小NS。
[0086] 命令语句有；
[0087] IF 卞阳'IS 'NS'AND 'CLIU'IS 'NM'T肥N 卞PQ'IS 'PS'ALSO 卞PPID'IS 'Semi'；
[00能]IF <0阳'18 'NS'AND 'CLIU'IS 'NM'raEN <DPQ'IS <PS'ALS0 <DPPID'IS 'Semi'；
[0089] IF 'RF阳'IS 'NS'AND 'CLIU'IS 'NM'T肥N 'RPQ'IS <PS'ALS0 'RPPID'IS 'Semi'；
[0090] IF 卞阳'IS 'PS'AND 'CLIU'IS 'NM'T肥N 卞PQ'IS 'NS'ALSO 卞PPID'IS 'Semi';
[OOW] IF<DW'IS<PS'AND<CLIU'IS'NM'?EN<DPQ'IS<NS'ALSO<DPPID'IS<Semi'；[009引IF 'RPE'IS 'PS'AND 'CLIU'IS 'NM'T肥N 'RPQ'IS <NS，ALS0 'RPPID'IS <Semi，。 [0093] 2)当超滤率的流量累积误差为负大化、负小NS、正小PS或正大化，即不在正常范 围，仅对废液累10和补液累12的模糊流量补偿值进行判断输出，透析液累11维持原控制 规律，而不考虑废液累10、透析液累11和补液累12当前的流量累积误差，W此在最短时间 内消除超滤率误差。
[0094] 命令语句有；
[00巧]IF乂LIU'IS<化'T肥N卞PQ'IS<PL'ALSO卞PQ'IS<NS'；
[0096]IF 乂LIU' IS <NS' T肥N 卞PQ' IS <PS' ALSO 卞PQ' IS <NM'；
[0097]IF 乂LIU' IS <PS' T肥N 卞PQ' IS <NS' ALSO 卞PQ' IS <NM'；
[009引IF 乂LIU' IS <PL' T肥N 卞PQ' IS <NL'ALSO 卞PQ' IS <NS'。
[0099] 303;解模糊单元24根据模糊规则对模糊流量补偿值和PID控制器指示变量所属 的模糊子集进行解模糊得到=个累的模糊流量补偿值和PID控制器指示变量，=个累对应 的PID控制器指示变量输入到控制任务分配模块1。解模糊的目的是把模糊值转化为清晰 值，该里采用最大隶属度平均值法解模糊。比如输出的是化，考察化最大隶属度对应的横 坐标值（图4)，可能有多个点，取该些点的平均值作为清晰化后的值。其中，Close、Semi和 化en作特殊处理，清晰化后得到的值进行归一化处理，即其清晰值映射到[0，1]区间。
[0100] 在步骤302中，如图4所示，模糊流量补偿值对应的负大化和正大化采用梯形隶 属函数f(X，a。bi，Cl, di)，满足W下公式（4)，其中，a。bi，Cl, di满足下表：
[0101] 表 3
[0102]
[0103] 模糊流量补偿值对应的正常醒采用两个Sigmoid型隶属函数之差组成的隶属函 数f(X, 321，C21, 322,C22)，满足W下公式巧），其中，321，C21, 322,C22为梯形隶属函数中的参数， 满足下表：
[0104]表 4
[0105]
[0106] 模糊流量补偿值对应的负小NS和正小PS采用S角形隶属函数f(X，33,bs，C3)，满 足W下公式：
[0107] (6J
[0108] 其中，X为输入值，33,bs，C3为S角形隶属函数中的参数，满足下表：
[0109] 表 5
[0110]
[0111] 如图5所示，Close、Semi、化en均采用S角形隶属函数，满足公式化），函数中对 应参数取值如下：
[0112] 表 6 [011 引
[0114] 步骤S4 ;控制任务分配模块1将步骤S3中PID控制器指示变量与=个累的流量 累积误差相乘后的数值输入至PID控制器3。
[0115] Close是一个模糊变量，例如：根据303的接模糊方法，其对应的清晰值为0. 01 ; 同理，Semi对应的清晰值为5,化en为9. 99,归一化后分别为0. 001、0. 5、1，则此时关闭 Close,用于指示控制任务分配模块1输出至PID控制器3的流量累积误差为0 ;半开Semi， 用于指示控制任务分配模块1输出至PID控制器3的流量累积误差为原来的一半；全开 化en，用于指示控制任务分配模块1输出至PID控制器3的流量累积误差为原值。
[0116] 步骤S5 ;=个PID控制器3根据控制任务分配模块1步骤S4的输入，输出PID流 量补偿值。
[0117] PID控制器3包括比例单元、积分单元和微分单元，其控制规律满足W下公式：
[0118]
(3)
[0119] 其中，AQpiD.FP、AQpiD.DP、AQpiD.KP分别表示废液累10、透析液累11和补液累12的 PID流量补偿值，Kp表示比例系数，KI表示积分系数，KD表示微分系数，e'W、e'DP、e'W分别 表示PID控制器指示变量与废液累10、透析液累11和补液累12的流量累积误差相乘后的 数值。根据公式（1)对epp、eDp、egp的定义，当6。。、6。。、6^为正时，表示实际流量低于设定值， 需要增大流量，即流量补偿值应为正。Kp、Ki、Kd的取值应满足此要求。当Ki= 0和Kd= 0， PID控制器3仅采用比例单元，则有Kp〉0且6fp，6dp，如〉0,那么AQpid.fp、AQpid.dp、AQpid.kp为 正。
[0120] 步骤S6 个累的流量设定值减去模糊流量补偿值后与PID流量补偿值相加获取 对应的目标流量值，流量转电压模块4将目标流量值转换为各累所需的电压值。目标流量 值的数值关系用W下公式表示：
[0121]
(7)
[om] 其中，9'^、9^、9'^分别表示废液累1〇、透析液累11和补液累12的目标流量值。
[0123] 步骤S7 个累的电机驱动模块6接收经第一数据采集模块5 (例如NI6008DAQ数 据采集卡）DA处理后的各自累所需的电压值，进而驱动各自累。
[0124] 当流量累积误差为正时，说明蠕动累7实际输出流量低于设定值，此时PID控制器 3输出的PID流量补偿值为正，模糊控制器2输出的模糊流量补偿值为负，结合流量设定值 后，输入至流量转电压模块4的流量值就会比流量设定值大，输出的电压也会相应增大，于 是电机转速变快，输出流量增大，从而达到减小流量累积误差的目的。
【主权项】
1. 一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法，其特征在于，包括： 步骤S1 :采集血液净化仪中废液袋、透析液袋、补液袋的重量变化值； 步骤S2 :控制任务分配模块根据废液泵、透析液泵和补液泵的流量设定值、超滤率设 定值以及步骤S1中三个重量变化值对应获得三个泵的流量累积误差以及超滤率的流量累 积误差； 步骤S3 :模糊控制器将步骤S2中四个流量累积误差按照相应隶属函数获取其属于模 糊子集的隶属度，取隶属度最大的模糊子集作为模糊化结果，并根据模糊规则进行模糊推 理得到三个泵对应的模糊流量补偿值所属的模糊子集和三个泵对应的PID控制器指示变 量所属的模糊子集，对模糊流量补偿值和PID控制器指示变量所属的模糊子集进行解模糊 得到三个泵的模糊流量补偿值和PID控制器指示变量； 步骤S4:控制任务分配模块将步骤S3中PID控制器指示变量与三个泵的流量累积误 差相乘后的数值输入至PID控制器； 步骤S5 :PID控制器根据控制任务分配模块步骤S4的输入，输出对应的PID流量补偿 值； 步骤S6:三个泵的流量设定值减去模糊流量补偿值后与PID流量补偿值相加获取对应 的目标流量值，流量转电压模块将目标流量值转换为各泵所需的电压值； 步骤S7:三个泵的电机驱动模块接收各自泵所需的电压值后驱动各自泵。2. 根据权利要求1所述的一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法，其特征在于，所述 步骤S2中废液泵、透析液泵和补液泵的流量累积误差eFP、eDP、eKP满足以下公式：其中，Qfp、Qdp、Qkp分别表示废液泵、透析液泵和补液泵的流量设定值，AWfp、AWdp、AWkp 分别表示时间t内废液泵、透析液泵和补液泵的重量变化值，pfp、pdp、pkp分别表示废液 袋、透析液袋、补液袋中液体密度； 所述超滤率的流量累积误差eaiu满足以下公式： eCLIU= I {Q CLIU- ( A WDP/ P DP+ A WKP/ p KP- A WFP/ p FP) /t} dt (2) 其中，Qeuu表示超滤率设定值。3. 根据权利要求1所述的一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法，其特征在于，所述 步骤S2中流量累积误差和模糊流量补偿值对应的模糊子集均包括5个，S卩：负大NL、负小 NS、正常匪、正小PS和正大PL; 所述步骤S3中PID控制器指示变量对应的模糊子集包括3个，S卩：关闭Close、半开Semi和全开Open。4. 根据权利要求3所述的一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法，其特征在于，所述 流量累积误差对应的负大NL、负小NS、正小PS和正大PL采用梯形隶属函数，所述正常匪 采用两个Sigmoid型隶属函数之差组成的隶属函数。5. 根据权利要求3所述的一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法，其特征在于，所述 模糊流量补偿值对应的负大NL和正大PL采用梯形隶属函数，模糊流量补偿值对应的负小NS和正小PS采用三角形隶属函数，模糊流量补偿值对应的正常NM采用两个Sigmoid型隶 属函数之差组成的隶属函数。6. 根据权利要求3所述的一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法，其特征在于，所述 PID控制器指示变量对应的关闭Close、半开Semi和全开Open采用三角形隶属函数。7. 根据权利要求3所述的一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法，其特征在于，所述 步骤S3中模糊规则包括： 1) 当超滤率的流量累积误差为正常NM，根据泵的流量累积误差分别对相应的模糊流 量补偿值进行判断输出，同时输出相应的PID控制器指示变量； 2) 当超滤率的流量累积误差为负大NL、负小NS、正小PS或正大PL，仅对废液泵和补液 泵的模糊流量补偿值进行判断输出。8. 根据权利要求7所述的一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法，其特征在于，在模 糊规则1)中，当泵的流量累积误差为正常匪，则输出对应的PID控制器指示变量为全开 Open，PID控制器仅采用比例单元输出PID流量补偿值； 当泵的流量累积误差为负大NL或正大PL，则输出对应的PID控制器指示变量为关闭Close，PID控制器同时采用比例单元、积分单元和微分单元输出PID流量补偿值； 当泵的流量累积误差为负小NS或正小PS，则输出对应的PID控制器指示变量为半开Semi，PID控制器同时采用比例单元、积分单元和微分单元输出PID流量补偿值。9. 根据权利要求1所述的一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法，其特征在于，所述 步骤S3中采用最大隶属度平均值法进行解模糊。10. 根据权利要求1所述的一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法，其特征在于，所述 PID控制器的控制规律满足以下公式：其中，AQPIDFP、AQPIDDP、AQPID，分别表示废液泵、透析液泵和补液泵的PID流量补偿 值，KP表不比例系数，K1表不积分系数，KD表不微分系数，e'FP、e'DP、e'KP分别表不PID控制 器指示变量与废液泵、透析液泵和补液泵的流量累积误差相乘后的数值。
【专利摘要】本发明涉及一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法，包括采集重量变化值；控制任务分配模块根据废液泵、透析液泵和补液泵的流量设定值以及重量变化值对应获得三个泵的流量累积误差以及超滤率的流量累积误差；模糊控制器由流量累积误差得到三个泵对应的PID控制器指示变量和模糊流量补偿值；控制任务分配模块根据PID控制器指示变量将三个泵的流量累积误差输入至PID控制器；三个PID控制器输出PID流量补偿值；流量转电压模块根据三个泵的流量设定值、模糊流量补偿值和PID流量补偿值获取目标流量值并转换为电压值；电机驱动模块接收电压值后驱动各自泵。与现有技术相比，本发明具有结构简单、精度高、应用方便等优点。
【IPC分类】A61M1/14
【公开号】CN104906645
【申请号】CN201510182388
【发明人】费冬冬, 邓琛, 张琴舜, 黄祖良
【申请人】上海工程技术大学
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2015年4月17日
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