CN104906645A - 一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法

技术领域

本发明涉及医疗器械技术领域，尤其是涉及一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法。

背景技术

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。

中国专利CN 202682434U公开了一种血液净化用蠕动泵控制系统，涉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泵的转动速度，使得蠕动泵转动的速度稳定，使用时不易出现回流现象，由于保持蠕动泵的转速稳定，减小了蠕动泵的损耗,提高了蠕动泵的寿命，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泵的情况。

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基于模糊PID的血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法，将模糊控制和PID控制结合，同时对多个蠕动泵进行控制，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，可以大大提高各蠕动泵的控制精度。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法包括：

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，废液泵、透析液泵和补液泵均为蠕动泵；

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。

所述步骤S2中废液泵、透析液泵和补液泵的流量累积误差e_FP、e_DP、e_RP满足以下公式：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{FP}}={\∫Q}_{\mathrm{FP}}\mathrm{dt}-{\mathrm{\ΔW}}_{\mathrm{FP}}/{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{FP}}\\ e_{\mathrm{DP}}=\∫Q_{\mathrm{DP}}\mathrm{dt}-{\mathrm{\ΔW}}_{\mathrm{DP}}/{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{DP}}\\ e_{\mathrm{RP}}=\∫Q_{\mathrm{RP}}\mathrm{dt}-{\mathrm{\ΔW}}_{\mathrm{RP}}/{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{RP}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，Q_FP、Q_DP、Q_RP分别表示废液泵、透析液泵和补液泵的流量设定值，ΔW_FP、ΔW_DP、ΔW_RP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，ρ_FP、ρ_DP、ρ_RP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e_CLIU满足以下公式：

e_CLIU＝∫{Q_CLIU-(ΔW_DP/ρ_DP+ΔW_RP/ρ_RP-ΔW_FP/ρ_FP)/t}dt  (2)

其中，Q_CLIU表示超滤率设定值。

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NL、负小NS、正常NM、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，即：关闭Close、半开Semi和全开Open。

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NM采用两个Sigmoid型隶属函数之差组成的隶属函数。

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。

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。

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。

在模糊规则1)中，当泵的流量累积误差为正常NM，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。

所述步骤S3中采用最大隶属度平均值法进行解模糊。

所述PID控制器的控制规律满足以下公式：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{PID},\mathrm{FP}}=K_P{e^{\′}}_{\mathrm{FP}}+K_I\∫{e^{\′}}_{\mathrm{FP}}\mathrm{dt}+K_D{{\mathrm{de}}^{\′}}_{\mathrm{FP}}\mathrm{\ρ}\\ {\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{PID},\mathrm{DP}}=K_P{e^{\′}}_{\mathrm{DP}}+K_I{\∫e^{\′}}_{\mathrm{DP}}\mathrm{dt}+K_D{{\mathrm{de}}^{\′}}_{\mathrm{DP}}\\ {\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{PID},\mathrm{RP}}=K_P{e^{\′}}_{\mathrm{RP}}+K_I\∫{e^{\′}}_{\mathrm{RP}}\mathrm{dt}+K_D{{\mathrm{de}}^{\′}}_{\mathrm{RP}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，ΔQ_PID,FP、ΔQ_PID,DP、ΔQ_PID,RP分别表示废液泵、透析液泵和补液泵的PID流量补偿值，K_P表示比例系数，K_I表示积分系数，K_D表示微分系数，e'_FP、e'_DP、e'_RP分别表示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。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

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，没有对多个蠕动泵联合综合控制，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，增加到三个，分别跟踪废液泵、透析液泵、补液泵输出流量的变化，从而保证血液净化仪的测量精度。

2)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，可以大大提高各蠕动泵的控制精度，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。

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泵进行控制，具有较强的实际意义和广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明方法流程示意图；

图2为本发明中血液净化仪的结构示意图；

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；

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；

图5为PID输出控制变量对应的各模糊子集隶属函数。

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、蠕动泵，8、称重传感器，9、第二数据采集模块，10、废液泵，11、透析液泵，12、补液泵，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

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以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。

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泵模糊控制方法，如图2所示，血液净化仪中包括废液泵10(简称FP)、透析液泵11(简称DP)、补液泵12(简称RP)、血泵和透析器13，血液回路14上的血泵驱动人体血液经透析器13进行血液净化后回到人体，废液泵10设于透析器13上，透析器13膜外的液体由废液泵10驱动流入废液袋15，透析液泵11设于透析器13上，透析液袋16液体由透析液泵11流入透析器13膜外，补液泵12设于透析器13入口处的血液回路14上，补液袋17液体由补液泵12流入血液回路14，其中废液泵10、透析液泵11、补液泵12均为蠕动泵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对应的三个电机驱动模块6以及与废液袋15、透析液袋16、补液袋17对应的三个称重传感器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，血液净化仪多蠕动泵模糊控制方法包括：

步骤S1：通过三个称重传感器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ΔW_FP、ΔW_DP、ΔW_RP，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。

步骤S2：控制任务分配模块1根据废液泵10、透析液泵11和补液泵12的流量设定值Q_FP、Q_DP、Q_RP、超滤率设定值Q_CLIU以及步骤S1中三个重量变化值对应获得FP的流量累积误差e_FP、DP的流量累积误差e_DP、RP的流量累积误差e_RP以及超滤率的流量累积误差e_CLIU。

其中，废液泵10、透析液泵11和补液泵12的流量累积误差e_FP、e_DP、e_RP满足以下公式：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{FP}}={\∫Q}_{\mathrm{FP}}\mathrm{dt}-{\mathrm{\ΔW}}_{\mathrm{FP}}/{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{FP}}\\ e_{\mathrm{DP}}=\∫Q_{\mathrm{DP}}\mathrm{dt}-{\mathrm{\ΔW}}_{\mathrm{DP}}/{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{DP}}\\ e_{\mathrm{RP}}=\∫Q_{\mathrm{RP}}\mathrm{dt}-{\mathrm{\ΔW}}_{\mathrm{RP}}/{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{RP}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，ρ_FP、ρ_DP、ρ_RP分别表示废液袋15、透析液袋16、补液袋17中液体密度。

超滤率为透析液泵流量+补液泵流量-废液泵流量，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e_CLIU满足以下公式：

e_CLIU＝∫{Q_CLIU-(ΔW_DP/ρ_DP+ΔW_RP/ρ_RP-ΔW_FP/ρ_FP)/t}dt  (2)。

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以下操作：

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。

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，即：负大NL、负小NS、正常NM、正小PS和正大PL。

如图3所示，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(Trapezoid)隶属函数f(x,a₁,b₁,c₁,d₁)，满足以下公式：

$f(x,a_1,b_1,c_1,d_1)=\left\{\begin{array}{cc}0& x\≤a_1\\ \frac{x-a_1}{{b_1-a}_1}& a_1\≤x\≤b_1\\ 1& b_1\≤x\≤c_1\\ \frac{d_1-x}{d_1-c_1}& c_1\≤x\≤d_1\\ 0& x\≥d_1\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，x为输入值，a₁,b₁,c₁,d₁为梯形隶属函数中的参数，满足下表：

表1

流量累积误差对应的正常NM采用两个Sigmoid型隶属函数之差组成的隶属函数f(x,a₂₁,c₂₁,a₂₂,c₂₂)，满足以下公式：

$f(x,a_{21},c_{21},a_{22},c_{22})=\frac{1}{1+e^{-a_{21}(x-c_{21})}}-\frac{1}{1+e^{{-a}_{22}(x-c_{22})}}---\left(5\right)$

其中，x为输入值，a₂₁,c₂₁,a₂₂,c₂₂为梯形隶属函数中的参数，满足下表：

表2

302：模糊推理机23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，三个泵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。

三个泵对应的模糊流量补偿值ΔQ_FUZZY,FP、ΔQ_FUZZY,DP和ΔQ_FUZZY,RP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NL、负小NS、正常NM、正小PS和正大PL。

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Open。

将模糊推理机23的模糊规则用命令语句表示，e_FP表示为FPE，e_DP表示为DPE，e_RP表示为RPE，e_CLIU表示为CLIU，ΔQ_FUZZY,FP表示为FPQ，ΔQ_FUZZY,DP表示为DPQ，ΔQ_FUZZY,RP表示为RPQ，废液泵10的PID控制器指示变量表示为FPPID，透析液泵11的PID控制器指示变量表示为DPPID，补液泵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：

1)当超滤率的流量累积误差为正常值时，即CLIU∈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。此时，各泵进入较高精度工况中运行时，PID控制器3介入控制，把各泵的误差控制在最小范围内。

在模糊规则1)中，当泵的流量累积误差为正常NM，则输出对应的PID控制器指示变量为全开Open，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，且对应泵的模糊流量补偿值为正常NM。

命令语句有：

IF‘FPE’IS‘NM’AND‘CLIU’IS‘NM’THEN‘FPQ’IS‘NM’ALSO‘FPPID’IS‘Open’；

IF‘DPE’IS‘NM’AND‘CLIU’IS‘NM’THEN‘DPQ’IS‘NM’ALSO‘DPPID’IS‘Open’；

IF‘RPE’IS‘NM’AND‘CLIU’IS‘NM’THEN‘RPQ’IS‘NM’ALSO‘RPPID’IS‘Open’。

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，且对应泵的模糊流量补偿值为正大PL或负大NL。

命令语句有：

IF‘FPE’IS‘NL’AND‘CLIU’IS‘NM’THEN‘FPQ’IS‘PL’ALSO‘FPPID’IS‘Close’；

IF‘DPE’IS‘NL’AND‘CLIU’IS‘NM’THEN‘DPQ’IS‘PL’ALSO‘DPPID’IS‘Close’；

IF‘RPE’IS‘NL’AND‘CLIU’IS‘NM’THEN‘RPQ’IS‘PL’ALSO‘RPPID’IS‘Close’；

IF‘FPE’IS‘PL’AND‘CLIU’IS‘NM’THEN‘FPQ’IS‘NL’ALSO‘FPPID’IS‘Close’；

IF‘DPE’IS‘PL’AND‘CLIU’IS‘NM’THEN‘DPQ’IS‘NL’ALSO‘DPPID’IS‘Close’；

IF‘RPE’IS‘PL’AND‘CLIU’IS‘NM’THEN‘RPQ’IS‘NL’ALSO‘RPPID’IS‘Close’。

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，且对应泵的模糊流量补偿值为正小PS或负小NS。

命令语句有：

IF‘FPE’IS‘NS’AND‘CLIU’IS‘NM’THEN‘FPQ’IS‘PS’ALSO‘FPPID’IS‘Semi’；

IF‘DPE’IS‘NS’AND‘CLIU’IS‘NM’THEN‘DPQ’IS‘PS’ALSO‘DPPID’IS‘Semi’；

IF‘RFPE’IS‘NS’AND‘CLIU’IS‘NM’THEN‘RPQ’IS‘PS’ALSO‘RPPID’IS‘Semi’；

IF‘FPE’IS‘PS’AND‘CLIU’IS‘NM’THEN‘FPQ’IS‘NS’ALSO‘FPPID’IS‘Semi’；

IF‘DPE’IS‘PS’AND‘CLIU’IS‘NM’THEN‘DPQ’IS‘NS’ALSO‘DPPID’IS‘Semi’；

IF‘RPE’IS‘PS’AND‘CLIU’IS‘NM’THEN‘RPQ’IS‘NS’ALSO‘RPPID’IS‘Semi’。

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，即不在正常范围，仅对废液泵10和补液泵12的模糊流量补偿值进行判断输出，透析液泵11维持原控制规律，而不考虑废液泵10、透析液泵11和补液泵12当前的流量累积误差，以此在最短时间内消除超滤率误差。

命令语句有：

IF‘CLIU’IS‘NL’THEN‘FPQ’IS‘PL’ALSO‘FPQ’IS‘NS’；

IF‘CLIU’IS‘NS’THEN‘FPQ’IS‘PS’ALSO‘FPQ’IS‘NM’；

IF‘CLIU’IS‘PS’THEN‘FPQ’IS‘NS’ALSO‘FPQ’IS‘NM’；

IF‘CLIU’IS‘PL’THEN‘FPQ’IS‘NL’ALSO‘FPQ’IS‘NS’。

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三个泵的模糊流量补偿值和PID控制器指示变量，三个泵对应的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，这里采用最大隶属度平均值法解模糊。比如输出的是NL，考察NL最大隶属度对应的横坐标值(图4)，可能有多个点，取这些点的平均值作为清晰化后的值。其中，Close、Semi和Open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。

在步骤302中，如图4所示，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f(x,a₁,b₁,c₁,d₁)，满足以下公式(4)，其中，a₁,b₁,c₁,d₁满足下表：

表3

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f(x,a₂₁,c₂₁,a₂₂,c₂₂)，满足以下公式(5)，其中，a₂₁,c₂₁,a₂₂,c₂₂为梯形隶属函数中的参数，满足下表：

表4

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f(x,a₃,b₃,c₃)，满足以下公式：

$f(x,a_3,b_3,c_3)=\left\{\begin{array}{cc}0& x\≤a_3\\ \frac{x-a_3}{b_3-a_3}& a_3\≤x\≤b_3\\ \frac{c_3-x}{c_3-b_3}& b_3\≤x\≤c_3\\ 0& x\≥c_3\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中，x为输入值，a₃,b₃,c₃为三角形隶属函数中的参数，满足下表：

表5

如图5所示，Close、Semi、Open均采用三角形隶属函数，满足公式(6)，函数中对应参数取值如下：

表6

步骤S4：控制任务分配模块1将步骤S3中PID控制器指示变量与三个泵的流量累积误差相乘后的数值输入至PID控制器3。

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，Open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Open，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。

步骤S5：三个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。

PID控制器3包括比例单元、积分单元和微分单元，其控制规律满足以下公式：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{PID},\mathrm{FP}}=K_P{e^{\′}}_{\mathrm{FP}}+K_I\∫{e^{\′}}_{\mathrm{FP}}\mathrm{dt}+K_D{{\mathrm{de}}^{\′}}_{\mathrm{FP}}\mathrm{\ρ}\\ {\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{PID},\mathrm{DP}}=K_P{e^{\′}}_{\mathrm{DP}}+K_I{\∫e^{\′}}_{\mathrm{DP}}\mathrm{dt}+K_D{{\mathrm{de}}^{\′}}_{\mathrm{DP}}\\ {\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{PID},\mathrm{RP}}=K_P{e^{\′}}_{\mathrm{RP}}+K_I\∫{e^{\′}}_{\mathrm{RP}}\mathrm{dt}+K_D{{\mathrm{de}}^{\′}}_{\mathrm{RP}}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，ΔQ_PID,FP、ΔQ_PID,DP、ΔQ_PID,RP分别表示废液泵10、透析液泵11和补液泵12的PID流量补偿值，K_P表示比例系数，K_I表示积分系数，K_D表示微分系数，e'_FP、e'_DP、e'_RP分别表示PID控制器指示变量与废液泵10、透析液泵11和补液泵12的流量累积误差相乘后的数值。根据公式(1)对e_FP、e_DP、e_RP的定义，当e_FP、e_DP、e_RP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。K_P、K_I、K_D的取值应满足此要求。当K_I＝0和K_D＝0，PID控制器3仅采用比例单元，则有K_P>0且e_FP,e_DP,e_RP>0，那么ΔQ_PID,FP、ΔQ_PID,DP、ΔQ_PID,RP为正。

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4将目标流量值转换为各泵所需的电压值。目标流量值的数值关系用以下公式表示：

$\left\{\begin{array}{c}{Q^{\′}}_{\mathrm{FP}}=Q_{\mathrm{FP}}-{\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{FUZZY},\mathrm{FP}}+{\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{PID},\mathrm{FP}}\\ {Q^{\′}}_{\mathrm{DP}}=Q_{\mathrm{DP}}-{\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{FUZZY},\mathrm{DP}}+{\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{PID},\mathrm{DP}}\\ {Q^{\′}}_{\mathrm{RP}}=Q_{\mathrm{RP}}-{\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{FUZZY},\mathrm{RP}}+{\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{PID},\mathrm{RP}}\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中，Q'_FP、Q'_DP、Q'_RP分别表示废液泵10、透析液泵11和补液泵12的目标流量值。

步骤S7：三个泵的电机驱动模块6接收经第一数据采集模块5(例如NI6008DAQ数据采集卡)DA处理后的各自泵所需的电压值，进而驱动各自泵。

当流量累积误差为正时，说明蠕动泵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。

Claims (10)

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e_FP、e_DP、e_RP满足以下公式：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{FP}}={\∫Q}_{\mathrm{FP}}\mathrm{dt}-\mathrm{\Δ}{W}_{\mathrm{FP}}/{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{FP}}\\ e_{\mathrm{DP}}=\∫Q_{\mathrm{DP}}\mathrm{dt}-\mathrm{\Δ}{W}_{\mathrm{DP}}/{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{DP}}\\ e_{\mathrm{RP}}={\∫Q}_{\mathrm{RP}}\mathrm{dt}-\mathrm{\Δ}{W}_{\mathrm{RP}}/{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{RP}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，Q_FP、Q_DP、Q_RP分别表示废液泵、透析液泵和补液泵的流量设定值，ΔW_FP、ΔW_DP、ΔW_RP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，ρ_FP、ρ_DP、ρ_RP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e_CLIU满足以下公式：

e_CLIU＝∫{Q_CLIU-(ΔW_DP/ρ_DP+ΔW_RP/ρ_RP-ΔW_FP/ρ_FP)/t}dt    (2)

其中，Q_CLIU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，即：负大NL、负小NS、正常NM、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，即：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NM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NM，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：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{PID},\mathrm{FP}}=K_P{e^{\′}}_{\mathrm{FP}}+K_I\∫{e^{\′}}_{\mathrm{FP}}\mathrm{dt}+K_{D}d{e^{\′}}_{\mathrm{FP}}\\ \mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{PID},\mathrm{DP}}=K_P{e^{\′}}_{\mathrm{DP}}+K_I\∫{e^{\′}}_{\mathrm{DP}}\mathrm{dt}+K_{D}d{e^{\′}}_{\mathrm{DP}}\\ \mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{PID},\mathrm{RP}}=K_P{e^{\′}}_{\mathrm{RP}}+K_I{\∫e^{\′}}_{\mathrm{RP}}\mathrm{dt}+K_{D}d{e^{\′}}_{\mathrm{RP}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，ΔQ_PID,FP、ΔQ_PID,DP、ΔQ_PID,RP分别表示废液泵、透析液泵和补液泵的PID流量补偿值，K_P表示比例系数，K_I表示积分系数，K_D表示微分系数，e'_FP、e'_DP、e'_RP分别表示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。