CN103520786A - 一种血液净化蠕动泵流量的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种血液净化蠕动泵流量的控制方法，包括：(1)血液净化主系统将给定的血液流量值L′(t)输入到流量控制器中；(2)将蠕动泵转速s(t)和压力差p(t)输入到流量控制器中；(3)流量控制器构造系数表；(4)模糊控制器参照系数表，计算蠕动泵输出流量值L(t)；(5)流量控制器将L(t)与L′(t)进行误差计算，判断是否小于0.1，是转向(7)，否转向(6)；(6)PI调节器对s(t)进行调节，返回(4)；(7)流量控制器将蠕动泵转速信号输入给蠕动泵，同时发送给血液净化主系统存储。与现有技术相比，本发明具有运算简单、响应速度快、精度高等优点，同时可实现主系统的预测控制，增加系统的可靠性。

Description

一种血液净化蠕动泵流量的控制方法

技术领域

本发明涉及血液净化领域，尤其是涉及一种血液净化蠕动泵流量的控制方法。

背景技术

血液净化器是将患者的血液引出体外，除去其中某些致病物质，净化血液以达到治疗疾病的目的。因为在血液净化的过程中蠕动泵的流量是系统参考的一个关键数据，故血液净化设备中的蠕动泵的流量控制器是关键部件之一。传统蠕动泵的流量测量根据泵的进、出口的压力差或者是根据单位时间流过泵的流体的体积来确定，这样如果蠕动泵的流量误差为1ml/分钟，一小时就会引入系统误差60ml，四小时的治疗时间就会引入240ml的误差，这对于治疗的要求和效果都会产生影响。另外，由于对环境有无菌的要求，任何传感器均不能与流体直接接触，这就给控制系统带来了很大的难题。因此蠕动泵的流量控制既困难又重要。

发明内容

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血液净化蠕动泵流量的控制方法，通过调节蠕动泵的转动速度来控制血液流量，从而减小实际血液流量与给定血液流量之间的误差。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种血液净化蠕动泵流量的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)血液净化主系统将给定的血液流量值L′(t)输入到流量控制器中；

(2)泵速测量单元检测蠕动泵转速s(t)，压力差测量单元检测蠕动泵管体两端的压力差p(t)，并将s(t)和p(t)输入到流量控制器中；

(3)流量控制器根据蠕动泵输出流量线性方程构造系数表；

(4)模糊控制器参照系数表，计算出在当前蠕动泵转速s(t)和压力差p(t)下蠕动泵输出流量值L(t)，并将L(t)作为流量控制器输入端的负反馈信号；

(5)流量控制器将蠕动泵输出流量值L(t)与给定的血液流量值L′(t)进行误差计算，判断误差e(t)是否小于0.1，是则转向步骤(7)，否则转向步骤(6)；

(6)PI调节器对蠕动泵转速s(t)进行调节，并将调节后的转速信号输入至模糊控制器，返回步骤(4)；

(7)流量控制器将蠕动泵转速信号输入给蠕动泵，同时将此信号发送给血液净化主系统存储，为系统提供流量的参考数据，实现系统的预测控制。

步骤(3)所述的蠕动泵输出流量线性方程为L(t)=k₁(s)s(t)+k₂(p)p(t)+σ(t)，其中，k₁(s)是转速系数，k₂(p)是压力差系数，σ(t)为蠕动泵的随机噪声；所述的构造系数表具体过程为：流量控制器先将一组给定的L(t)、s(t)及p(t)代入蠕动泵输出流量线性方程中，得到一组关于k₁(s)和k₂(p)的多元方程，再采用偏最小二乘法构造关于k₁(s)和k₂(p)系数表，并将系数表存储在流量控制器中，所述的系数表包含有不同s(t)所对应的转速系数k₁(s)，以及不同p(t)对应的压力差系数k₂(p)。

步骤(4)所述的模糊控制器参照系数表，计算出在当前蠕动泵转速s(t)和压力差p(t)下蠕动泵输出流量值L(t)具体过程如下：

1)模糊控制器先从系数表中找出当前蠕动泵转速s(t)或s(t)所在范围的上边界值s_U和下边界值s_D，计算出s(t)的模糊隶属度θ_s为：θ_s=(s(t)-s_D)/(s_U-s_D)；

2)再从系数表中找到转速所对应的转速系数或转速所在范围对应的的转速系数边界值，然后通过线性差值法计算出转速系数k₁(s)；

3)然后从系数表中找出当前压力差p(t)或p(t)所在范围的上边界值p_U和下边界值p_D，计算出p(t)的模糊隶属度θ_p为：θ_p=(p(t)-p_D)/(p_U-p_D)；

4)再从系数表中找到压力差所对应的压力差系数或压力差所在范围对应的的压力差系数边界值，然后通过线性差值法计算出压力差系数k₂(p)；

5)最后将s(t)、p(t)、k₁(s)及k₂(p)代入蠕动泵输出流量线性方程计算得到L(t)。

步骤(6)所述的PI调节器是由线性放大器P和积分器I组成，根据PI调节器的控制规律，得到误差e(t)与蠕动泵转速s(t)的关系：

$s\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+\frac{1}{K_i}{\∫}_0^{t}e\left(t\right),$

其中K_p是线性放大器P的系数，K_i是积分器I的系数。

所述的流量控制器包括依次连接的系数表存储器、模糊控制器、误差比较器以及PI调节器，所述的PI调节器与模糊控制器连接。

一般，蠕动泵输出流量可由非线性方程L(t)=F(S，Y，T，P)表示，其中L(t)为蠕动泵输出流量，S为蠕动泵的转速，Y为流体的成分，T为流体的温度，P为蠕动泵管体两端的压力差，从式中可以看出引起流量误差的因素包括S、Y、T及P，但由Y、T引入的流量误差较小(一般小于1ml/min)，该误差可由血液净化主系统的控制设备调节完成校正；而P引入的误差较大(一般大于5ml/min)，会引起很大的非线性问题，主系统的控制设备无法完成相应的误差校正。然而，非线性方程用完整的物理推导将是一个十分复杂的函数方程，解算非线性方程给控制系统带来无法实现的困难，本发明忽略Y、T的影响，将非线性方程简化为线性方程L(t)=k₁(s)s(t)+k₂(p)p(t)+σ(t)。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明将计算蠕动泵输出流量的非线性方程简化为线性方程，大大简化了运算。

2、用偏最小二乘法构造k₁(s)、k₂(p)系数表，将系数表存储在流量控制器中，模糊控制器通过查找系数表即可得到当前泵速和压力差对应的系数，进而计算出当前蠕动泵输出流量值，响应速度块，控制精度高。

3、本发明不仅可直接控制蠕动泵的转速，使得实际蠕动泵输出流量稳定在给定的血液流量上，同时又为血液净化主系统提供流量的参考数据，实现主系统的预测控制。

4、本发明采用ALTERA-EPM3032A芯片固化成专用蠕动泵控制芯片，实现了软件硬化的转化，加快了控制器的响应速度，减少了系统主机的负荷，增加了系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为实现本发明方法的ALTERA-EPM3032A芯片的管脚示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种血液净化蠕动泵流量的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)血液净化主系统将给定的血液流量值L′(t)输入到流量控制器中；

(2)泵速测量单元检测蠕动泵转速s(t)，压力差测量单元检测蠕动泵管体两端的压力差p(t)，并将s(t)和p(t)输入到流量控制器中；

(3)流量控制器根据蠕动泵输出流量线性方程构造系数表；

(4)模糊控制器参照系数表，计算出在当前蠕动泵转速s(t)和压力差p(t)下蠕动泵输出流量值L(t)，并将L(t)作为流量控制器输入端的负反馈信号；

(5)流量控制器将蠕动泵输出流量值L(t)与给定的血液流量值L′(t)进行误差计算，判断误差e(t)是否小于0.1，是则转向步骤(7)，否则转向步骤(6)；

(6)PI调节器对蠕动泵转速s(t)进行调节，并将调节后的转速信号输入至模糊控制器，返回步骤(4)；

(7)流量控制器将蠕动泵转速信号输入给蠕动泵，同时将此信号发送给血液净化主系统存储，为系统提供流量的参考数据，实现系统的预测控制。

步骤(3)所述的蠕动泵输出流量线性方程为L(t)=k₁(s)s(t)+k₂(p)p(t)+σ(t)，其中，k₁(s)是转速系数，k₂(p)是压力差系数，σ(t)为蠕动泵的随机噪声；所述的构造系数表具体过程为：流量控制器先将一组给定的L(t)、s(t)及p(t)代入蠕动泵输出流量线性方程中，得到一组关于k₁(s)和k₂(p)的多元方程，再采用偏最小二乘法构造关于k₁(s)和k₂(p)系数表，并将系数表存储在流量控制器中，所述的系数表包含有不同s(t)所对应的转速系数k₁(s)，以及不同p(t)对应的压力差系数k₂(p)。如表1所示。

表1

为了提高测量精度，本发明采用模糊控制技术，即根据系统运行状态(给定的泵流量、管道对应的压力差)，由相应的模糊隶属函数计算出相应的泵速系数k₁(s)和压力差系数k₂(p)值。步骤(4)所述的模糊控制器参照系数表，计算出在当前蠕动泵转速s(t)和压力差p(t)下蠕动泵输出流量值L(t)具体过程如下：例如，蠕动泵转速为45.6ml/min，管道的压力差为-46.7mmH，

1)模糊控制器先从系数表中找出当前蠕动泵转速s(t)或s(t)所在范围的上边界值s_U和下边界值s_D，计算出s(t)的模糊隶属度θ_s为：θ_s=(s(t)-s_D)/(s_U-s_D)；

本实施例s_D=40，s_U=50，θ_s=(45.6-40)/(50-40)=56％；

2)再从系数表中找到转速所对应的转速系数或转速所在范围对应的的转速系数边界值，然后通过线性差值法计算出转速系数k₁(s)；

本实施例k₁(s)介于0.2034和0.1456之间，通过线性差值法计算出泵速系数k₁(s)＝0.56*0.1456+0.44*0.2034=0.17103；

3)然后从系数表中找出当前压力差p(t)或p(t)所在范围的上边界值p_U和下边界值p_D，计算出p(t)的模糊隶属度θ_p为：θ_p=(p(t)-p_D)/(p_U-p_D)；

本实施例p_D=-50，p_U=-40，θ_p＝(-46.7-(-50))/(-40-(-50))＝33％；

4)再从系数表中找到压力差所对应的压力差系数或压力差所在范围对应的的压力差系数边界值，然后通过线性差值法计算出压力差系数k₂(p)；

本实施例k₂(p)介于0.05401和0.06356之间，通过线性差值法计算出压力差系数k₂(p)=0.33*0.06356+0.67*0.05401=0.0573。

5)最后将s(t)、p(t)、k₁(s)及k₂(p)代入蠕动泵输出流量线性方程计算得到L(t)。

步骤(6)所述的PI调节器是由线性放大器P和积分器I组成，根据PI调节器的控制规律，得到误差e(t)与蠕动泵转速s(t)的关系：

$s\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+\frac{1}{K_i}{\∫}_0^{t}e\left(t\right),$

其中K_p是线性放大器P的系数，K_i是积分器I的系数。PI调节器输入是给定的泵流量与实际泵流量的误差e(t)，输出是泵转速对应的电压值s(t)。线性放大器P的作用是使实际泵流量尽快地跟上给定的泵流量，误差e(t)越大，其输出也越大，调整的速度就越快，当误差e(t)为零时，其输出也为零，不再进行调整。积分器I的作用是实现无差控制。由于积分的作用，即使有非常小的误差，也会随时间放大，从而实现无差控制，当误差为零时，其输出就是要求的电压值。本实施例K_p=0.1，K_i=5。

所述的流量控制器包括依次连接的系数表存储器、模糊控制器、误差比较器以及PI调节器，所述的PI调节器与模糊控制器连接。本实施例采用ALTERA-EPM3032A芯片固化成蠕动泵流量控制器，加快了控制器的响应速度，减少了系统主机的负荷，增加了系统的可靠性。EPM3032A芯片为ALTERA公司生产的高性能、高性价比的可编程控制芯片，含有35-512个宏单元，600-5000可用门，可以实现2.5V、3.3V或5V多电压操作，有两个全局时钟和6个输出使能信号。此芯片有44个管脚，其中最大的可用I/O口有34个。如图2所示为EPM3032A的管脚示意图。

所述的EPM3032A控制芯片上集成有JTAG口、USB口、系数表存储器、模糊控制器、误差比较器、PI调节器以及转速输出口，根据实际需要芯片引脚定义如下：

a)JTAG口的定义：芯片的程序下载是通过标准的JTAG口来实现的，所以Pin1定义为JTAG口的TDI数据引脚，Pin7定义为JTAG口的TMS引脚，Pin26定义为JTAG口的TCK引脚，Pin32定义为JTAG口的TDO引脚；

b)USB口的定义：USB口作为数字通道，一方面将控制器所需的给定的血液流量值L′(t)和压力差p(t)传送进来，另一方面为血液净化主系统提供流量的参考数据，实现主系统的预测控制，其中Pin20定义为USB-，Pin22定义为USB+；

c)系数表存储器的定义：将用偏最小二乘法构造的系数表存放在内存中，供模糊控制器参考；

d)模糊控制器的定义：参照系数表选择相应的转速s(t)和压力差p(t)所对应的泵速系数K₁(s)和压力差系数k₂(p)，从而计算出蠕动泵输出流量L(t)；

e)误差计算器的定义：将蠕动泵输出流量值L(t)与给定的血液流量值L′(t)进行误差计算，并判断误差是否满足要求；

f)PI调节器的定义：用来调节蠕动泵转速；

g)转速输出口的定义：为了控制蠕动泵电机转速，定义了S1、S2、S3、S4为转速输出引脚，Pin12、Pin13、Pin14、Pin15分别定义为S1、S2、S3、S4。

Claims (5)

1.一种血液净化蠕动泵流量的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)血液净化主系统将给定的血液流量值L′(t)输入到流量控制器中；

(2)泵速测量单元检测蠕动泵转速s(t)，压力差测量单元检测蠕动泵管体两端的压力差p(t)，并将s(t)和p(t)输入到流量控制器中；

(3)流量控制器根据蠕动泵输出流量线性方程构造系数表；

(4)模糊控制器参照系数表，计算出在当前蠕动泵转速s(t)和压力差p(t)下蠕动泵输出流量值L(t)，并将L(t)作为流量控制器输入端的负反馈信号；

(5)流量控制器将蠕动泵输出流量值L(t)与给定的血液流量值L′(t)进行误差计算，判断误差e(t)是否小于0.1，是则转向步骤(7)，否则转向步骤(6)；

(6)PI调节器对蠕动泵转速s(t)进行调节，并将调节后的转速信号输入至模糊控制器，返回步骤(4)；

(7)流量控制器将蠕动泵转速信号输入给蠕动泵，同时将此信号发送给血液净化主系统存储，为系统提供流量的参考数据，实现系统的预测控制。

2.根据权利要求1所述的一种血液净化蠕动泵流量的控制方法，其特征在于，步骤(3)所述的蠕动泵输出流量线性方程为L(t)=k₁(s)s(t)+k₂(p)p(t)+σ(t)，其中，k₁(s)是转速系数，k₂(p)是压力差系数，σ(t)为蠕动泵的随机噪声；所述的构造系数表具体过程为：流量控制器先将一组给定的L(t)、s(t)及p(t)代入蠕动泵输出流量线性方程中，得到一组关于k₁(s)和k₂(p)的多元方程，再采用偏最小二乘法构造关于k₁(s)和k₂(p)系数表，并将系数表存储在流量控制器中，所述的系数表包含有不同s(t)所对应的转速系数k₁(s)，以及不同p(t)对应的压力差系数k₂(p)。

3.根据权利要求2所述的一种血液净化蠕动泵流量的控制方法，其特征在于，步骤(4)所述的模糊控制器参照系数表，计算出在当前蠕动泵转速s(t)和压力差p(t)下蠕动泵输出流量值L(t)具体过程如下：

1)模糊控制器先从系数表中找出当前蠕动泵转速s(t)或s(t)所在范围的上边界值s_U和下边界值s_D，计算出s(t)的模糊隶属度θ_s为：θ_s=(s(t)-s_D)/(s_U-s_D)；

2)再从系数表中找到转速所对应的转速系数或转速所在范围对应的的转速系数边界值，然后通过线性差值法计算出转速系数k₁(s)；

3)然后从系数表中找出当前压力差p(t)或p(t)所在范围的上边界值p_U和下边界值p_D，计算出p(t)的模糊隶属度θ_p为：θ_p=(p(t)-p_D)/(p_U-p_D)；

4)再从系数表中找到压力差所对应的压力差系数或压力差所在范围对应的的压力差系数边界值，然后通过线性差值法计算出压力差系数k₂(p)；

5)最后将s(t)、p(t)、k₁(s)及k₂(p)代入蠕动泵输出流量线性方程计算得到L(t)。

4.根据权利要求1所述的一种血液净化蠕动泵流量的控制方法，其特征在于，步骤(6)所述的PI调节器是由线性放大器P和积分器I组成，根据PI调节器的控制规律，得到误差e(t)与蠕动泵转速s(t)的关系：

$s\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+\frac{1}{K_i}{\∫}_0^{t}e\left(t\right),$

其中K_p是线性放大器P的系数，K_i是积分器I的系数。

5.根据权利要求1所述的一种血液净化蠕动泵流量的控制方法，其特征在于，所述的流量控制器包括依次连接的系数表存储器、模糊控制器、误差比较器以及PI调节器，所述的PI调节器与模糊控制器连接。

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