CN105935462A - 一种静脉注射的药液滴速控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种静脉注射的药液滴速控制方法及装置，由控制单元、执行单元和反馈单元组成。使用者根据显示装置中的工作界面指令产生药液滴速给定值；然后控制器模块按照模糊PID控制算法产生控制指令，执行机构模块(即步进电机)按照控制指令来收紧或者放松药液塑料管，同时反馈机构模块再次对当前滴速信号进行测定并将其反馈给控制器，以便进行下一次控制指令的发出。本发明具有控制精度高、效果好、工作稳定的优点。

Description

一种静脉注射的药液滴速控制方法及装置

技术领域

本发明涉及医疗静脉输液控制技术领域，具体涉及一种静脉注射的药液滴速控制方法及装置。

背景技术

静脉输液相关的技术操作是护理中最重要的一项工作，静脉输液又是临床常用的给药途径之一，在单位时间内给多少量的药液，对治疗疾病的效果起着一定的作用。因此在静脉输液操作过程中，一个关键的环节是根据患者年龄、身体情况和注射的药液种类等来控制药液的滴速。传统滴速调节过程中，医护人员需要手动操作塑料管夹，通过收紧或放松塑料管夹来改变药液流量，最终达到控制药液滴速的目的。这种传统的人工控制方式操作简单，易于实现，但是其控制实时性较差，控制精度不高，大大增加了医疗事故发生的概率。此外，人工控制的方式无法对多个病人的输液进行统一监控，也无法对输液进程进行完整的记录，不利于医院的信息化管理，弊端日益明显。因此，根据静脉输液过程的特点，设计一种合适的自动控制算法及装置，对于输液过程的智能化以及信息化发展具有重要意义。

目前针对药液滴速控制方面的算法主要是基于负反馈的固定参数比例积分微分(Proportion Integral Derivative，PID)控制。这类方法虽然实现简单，但是控制效果并不理想。其缺点主要有两方面：首先，反馈环节延时较大，而且延时长短还会随滴速的变化而变化，当滴速较慢时，获取反馈信息也需要较长的时间，可能导致控制精度降低，稳定性变差。其次，控制性能较差，由于执行单元(电机)转动步长与药液滴速并不是严格的线性对应关系，在不同的输液速度下，电机转动相同的步长可能对滴速造成不同的影响，当给定药液滴速值变化幅度较大时，固定参数PID算法难以按照指定精度进行快速控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有对静脉输液的药液滴速进行控制的方法所存在的精度低和速度慢的问题，提供一种静脉注射的药液滴速控制方法及装置。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种静脉注射的药液滴速控制方法，包括如下步骤：

步骤1，将输液器固定在输液架上，悬挂好输液瓶；启动并进行初始化，人为设定给定药液滴速和控制切换阀值；

步骤2，让反馈单元的光电传感器对准输液滴管，并通过反馈单元将输液滴管的实时药液滴速反馈至控制单元；

步骤3，控制单元根据给定药液滴速和实时药液滴速计算药液滴速误差，并将该药液滴速误差送至模糊控制器和PID控制器中；模糊控制器对给定药液滴速和药液滴速误差进行模糊运算，获得模糊控制量和PID动态参数；PID控制器对PID动态参数和药液滴速误差进行PID运算，获得PID控制量；

步骤4，当药液滴速误差的绝对值等于或大于控制切换阀值时，则切换开关将控制切换到模糊控制状态，此时控制单元将模糊控制量输出到执行单元中；当药液滴速误差的绝对值小于控制切换阀值时，则切换开关将控制切换到PID控制状态，此时控制单元将PID控制量输出到执行单元中；

步骤5，执行单元根据控制单元输出的模糊控制量或PID控制量的正负情况来控制步进电机转动方向，以完成药液夹的收紧或者放松动作控制；同时根据控制单元输出的模糊控制量或PID控制量的幅值来控制步进电机转动的步数，以完成药液夹的收紧或者放松的幅度的控制。

上述方法中，所述模糊控制器的推理规则如下表所示：

用三角隶属函数把给定药液滴速值r划分为{S，M，L，XL}四个模糊子集，分别代表给定药液滴速值为小、中、大、极大；

再把药液滴速误差值e划分为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}七个模糊子集，分别代表药液滴速误差值为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大；

模糊控制量u对应于药液夹开度的增量，定义模糊子集{NL，NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB，PL}分别代表增量负极大、负大、负中、负小、零、正小、正中、正大、正极大；

PID动态参数模糊子集定义为{PS/IS/DS，PM/IM/DM，PL/IL/DL，PX/IX/DX}，分别对应四组不同的PID动态参数。

上述方法中，步骤1还进一步包括如下步骤：控制单元对整个输液控制过程所输出的控制量进行累加，当累加量达到预先设定的药液总量时，则控制单元发出控制命令来控制步进电机转动，使得药液夹的完全收紧，以停止整个输液过程。

基于上述方法而设计的一种静脉注射的药液滴速控制装置，由控制单元、执行单元和反馈单元组成；上述控制单元包括给定输入电路和控制器模块；上述执行单元包括驱动电路、步进电机和传动机构；上述反馈单元包括光电传感器和斯密特触发器。给定输入电路的输出端连接控制器模块的给定输入端。控制器模块的控制输出端连接驱动电路的输入端，驱动电路的输出端与步进电机的输入端相连，步进电机的输出端连接传动机构的输入端，传动机构的输出端连接被控对象即药液夹。光电传感器正对输液滴管，光电传感器的输出端连接斯密特触发器的输入端，斯密特触发器的输出端连接控制器模块的反馈输入端。

上述装置中，所述控制器模块包括乘法器、模糊控制器、PID控制器和切换开关构成；乘法器一输入端连接给定输入电路的输出端；乘法器的另一输入端连接斯密特触发器的输出端。模糊控制器的给定输入端连接乘法器的输出端，模糊控制器的误差输入端连接给定输入电路的输出端；模糊控制器的控制量输出端与切换开关的一输入端连接。PID控制器的误差输入端连接乘法器的输出端，PID控制器的参数输入端连接模糊控制器的参数输出端；PID控制器的控制量输出端与切换开关的另一输入端连接。切换开关的输出端连接驱动电路。

上述装置中，所述给定输入电路为实体给定输入电路、触屏给定输入电路和/或无线通信输入电路。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、将模糊控制器和PID控制器相结合应用于药液滴速控制技术中，实现了以较高准确率对静脉输液过程中药液滴速进行快速自动检测。同时通过模糊控制器来动态调整PID控制参数，解决了传统药液滴速控制系统中的非线性问题和反馈环节延迟问题，实现了对药液滴速的快速、稳定控制。

2、采用光电传感器实现滴速检测，使液滴检测更加稳定。

3、提供了一个全新的人机交互通道，利用彩色液晶屏可以增加人机界面的友好性，提供了用于参数输入的全数字键盘，使得设备易于使用和推广。

附图说明

图1是一种静脉注射的药液滴速控制装置的原理示意图。

图2是一种静脉注射的药液滴速控制方法的原理示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

一种静脉注射的药液滴速控制装置，如图1所示，由控制单元、执行单元和反馈单元组成。

上述控制单元包括给定输入电路和控制器模块。给定输入电路的输出端连接控制器模块的给定输入端。在本发明中，所述给定输入电路可以实体给定输入电路，即通过实体按键电路键入给定信号；可以为触屏给定输入电路，即通过触摸显示屏键入给定信号；也可以为无线通信输入电路，即通过无线模块接收外部发送的给定信号。

上述执行单元包括驱动电路、步进电机和传动机构。控制器模块的控制输出端连接驱动电路的输入端，驱动电路的输出端与步进电机的输入端相连，步进电机的输出端连接传动机构的输入端，传动机构的输出端连接被控对象即药液夹。在本发明中，所述控制器模块包括乘法器、模糊控制器、PID控制器和切换开关构成。乘法器一输入端连接给定输入电路的输出端。乘法器的另一输入端连接斯密特触发器的输出端。模糊控制器的给定输入端连接乘法器的输出端，模糊控制器的误差输入端连接给定输入电路的输出端。模糊控制器的控制量输出端与切换开关的一输入端连接。PID控制器的误差输入端连接乘法器的输出端，PID控制器的参数输入端连接模糊控制器的参数输出端。PID控制器的控制量输出端与切换开关的另一输入端连接。切换开关的输出端连接驱动电路。

上述反馈单元包括光电传感器和斯密特触发器。光电传感器正对输液滴管，负责对液滴进行检测。光电传感器的输出端连接斯密特触发器的输入端，斯密特触发器负责将模拟信号转化为数字信号，斯密特触发器的输出端连接控制器模块的反馈输入端。

上述装置所实现的一种静脉注射的药液滴速控制方法，首先使用者根据显示装置中的工作界面指令产生药液滴速给定药液滴速值；然后控制单元根据给定滴速与当前反馈滴速信号之间的误差值，按照控制算法产生控制指令，控制算法同时处理执行单元中电机转动步长与药液滴速之间的非线性问题以及反馈单元中的延迟问题；接着执行单元的步进电机按照控制指令来收紧或者放松药液塑料管；同时反馈单元再次对当前滴速信号进行测定并将其反馈给控制器，以便进行下一次控制指令的发出。在进行控制时，以给定药液滴速值的大小以及药液滴速误差值的大小作为模糊控制器的输入，电机步进角度控制量u以及PID动态参数作为输出。模糊控制器输出的模糊控制量与PID控制器输出的PID控制量通过一个切换开关进行选择。当药液滴速误差值绝对值|e|大于等于切换阀值时切换为模糊控制，当药液滴速误差值绝对值|e|小于切换阀值时切换为PID控制，以保证系统稳态精度。参见图2。

具体包括以下步骤：

(1)系统初始化：输液器固定在输液架上，悬挂好输液瓶，让反馈单元对准输液滴管，启动系统并进行初始化，打开显示装置中的工作界面，并根据病人情况、药液种类等设定药液滴速、药液总量等信息，通过I/O接口模块传给控制单元。

(2)产生控制指令：控制单元的控制方式由模糊控制器和PID控制器组合而成。模糊控制器的输入参数是滴速给定药液滴速值和滴速误差，输出参数是电机转动步长控制和PID动态参数。在控制过程中，首先计算滴速设定值与反馈值之间的误差，然后控制状态切换模块根据滴速误差来选择合理的控制方式：当滴速误差值大幅度变化时即误差绝对值|e|大于等于切换阀值时，主要由模糊控制器来进行输出控制命令，以便保证控制的快速性。当滴速误差值小范围变化时即误差绝对值|e|小于切换阀值时，主要由PID控制器输出控制命令，以便保证系统控制精度。此外，模糊控制器还负责对PID控制器的P、I、D参数进行动态调整，以解决电机转动步长与药液滴速之间存在非线性的问题，使系统在不同滴速给定药液滴速值下都能获得良好的控制性能；最后，控制单元将控制命令经I/O接口模块传送至执行单元和显示装置。

模糊控制器的推理规则如下表所示：

表1

假定给定药液滴速值与药液滴速误差值的基本论域分别为[20，150]、[－150，150]。用三角隶属函数把给定药液滴速值划分为{S，M，L，XL}四个模糊子集，分别代表给定药液滴速值小、中、大、极大；再把药液滴速误差值划分为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}七个模糊子集，分别代表药液滴速误差值为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。控制量u对应于药液夹开度的增量，定义模糊子集{NL，NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB，PL}分别代表增量负极大、负大、负中、负小、零、正小、正中、正大、正极大。PID动态参数模糊子集定义为{PS/IS/DS，PM/IM/DM，PL/IL/DL，PX/IX/DX}，分别对应四组不同的PID动态参数。

制定模糊推理规则如表1所示。其中，控制量u的绝对值随着滴速药液滴速误差值的增大而增大，而且同样药液滴速误差值绝对值下电机正转(对应于管夹打开)步长可略大于反转(对应于管夹收紧)步长；其次是在滴速药液滴速误差值相同而给定药液滴速值不同的情况下，根据实验所得的经验适当调整控制量的大小以及PID控制器的参数，从而适应电机转动步长与输液滴速之间的非线性关系。

(3)滴速控制：滴速控制主要由步进电机完成。在执行过程中，根据控制命令中的正负情况来控制电机转动方向，以便完成药液夹的收紧或者放松动作；根据控制命令中信号幅值来控制电机转动的步数，以便控制药液夹的收紧或者放松的幅度。

(4)反馈滴速信号：采用光电传感器即光电对管对当前的输液滴速进行测定，并将当前滴速情况给到步骤(2)，从而发出下一次控制指令。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种静脉注射的药液滴速控制方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1，将输液器固定在输液架上，悬挂好输液瓶；启动并进行初始化，人为设定给定药液滴速和控制切换阀值；

步骤2，让反馈单元的光电传感器对准输液滴管，并通过反馈单元将输液滴管的实时药液滴速反馈至控制单元；

步骤3，控制单元根据给定药液滴速和实时药液滴速计算药液滴速误差，并将该药液滴速误差送至模糊控制器和PID控制器中；模糊控制器对给定药液滴速和药液滴速误差进行模糊运算，获得模糊控制量和PID动态参数；PID控制器对PID动态参数和药液滴速误差进行PID运算，获得PID控制量；

步骤4，当药液滴速误差的绝对值等于或大于控制切换阀值时，则切换开关将控制切换到模糊控制状态，此时控制单元将模糊控制量输出到执行单元中；当药液滴速误差的绝对值小于控制切换阀值时，则切换开关将控制切换到PID控制状态，此时控制单元将PID控制量输出到执行单元中；

步骤5，执行单元根据控制单元输出的模糊控制量或PID控制量的正负情况来控制步进电机转动方向，以完成药液夹的收紧或者放松动作控制；同时根据控制单元输出的模糊控制量或PID控制量的幅值来控制步进电机转动的步数，以完成药液夹的收紧或者放松的幅度的控制。

2.根据权利要求1所述的一种静脉注射的药液滴速控制方法，其特征是，所述模糊控制器的推理规则如下表所示：

用三角隶属函数把给定药液滴速值r划分为{S，M，L，XL}四个模糊子集，分别代表给定药液滴速值为小、中、大、极大；

再把药液滴速误差值e划分为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}七个模糊子集，分别代表药液滴速误差值为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大；

模糊控制量u对应于药液夹开度的增量，定义模糊子集{NL，NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB，PL}分别代表增量负极大、负大、负中、负小、零、正小、正中、正大、正极大；

PID动态参数模糊子集定义为{PS/IS/DS，PM/IM/DM，PL/IL/DL，PX/IX/DX}，分别对应四组不同的PID动态参数。

3.根据权利要求1所述的一种静脉注射的药液滴速控制方法，其特征是，步骤1还进一步包括如下步骤：控制单元对整个输液控制过程所输出的控制量进行累加，当累加量达到预先设定的药液总量时，则控制单元发出控制命令来控制步进电机转动，使得药液夹的完全收紧，以停止整个输液过程。

4.基于权利要求1所述静脉注射的药液滴速控制方法而设计的一种静脉注射的药液滴速控制装置，其特征在于：由控制单元、执行单元和反馈单元组成；上述控制单元包括给定输入电路和控制器模块；上述执行单元包括驱动电路、步进电机和传动机构；上述反馈单元包括光电传感器和斯密特触发器；

给定输入电路的输出端连接控制器模块的给定输入端；

控制器模块的控制输出端连接驱动电路的输入端，驱动电路的输出端与步进电机的输入端相连，步进电机的输出端连接传动机构的输入端，传动机构的输出端连接被控对象即药液夹；

光电传感器正对输液滴管，光电传感器的输出端连接斯密特触发器的输入端，斯密特触发器的输出端连接控制器模块的反馈输入端。

5.根据权利要求4所述的一种静脉注射的药液滴速控制装置，其特征在于：所述控制器模块包括乘法器、模糊控制器、PID控制器和切换开关构成；乘法器一输入端连接给定输入电路的输出端；乘法器的另一输入端连接斯密特触发器的输出端；

模糊控制器的给定输入端连接乘法器的输出端，模糊控制器的误差输入端连接给定输入电路的输出端；模糊控制器的控制量输出端与切换开关的一输入端连接；

PID控制器的误差输入端连接乘法器的输出端，PID控制器的参数输入端连接模糊控制器的参数输出端；PID控制器的控制量输出端与切换开关的另一输入端连接；

切换开关的输出端连接驱动电路。

6.根据权利要求4所述的一种静脉注射的药液滴速控制装置，其特征在于：所述给定输入电路为实体给定输入电路、触屏给定输入电路和/或无线通信输入电路。