CN115097882A - 一种医用输血输液加温仪的恒温控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种医用输血输液加温仪的恒温控制系统,包括动态修正模块、扰动补偿模块、测温模块以及加热管,动态修正模块包括神经网络控制器和PID控制器;神经网络控制器以目标温度值和环境温度值作为输入量,并在神经网络控制器输出控制参数,控制参数输入PID控制器作为PID控制器的控制参数,PID控制器根据控制参数并利用比例、积分、微分运算获得输出信号,输出信号输入扰动补偿模块;测温模块获得加热管温度后传输给扰动补偿模块,扰动补偿模块根据加热管温度对输出信号进行扰动补偿。该恒温控制系统采用PID控制算法,并加入了神经网络控制对PID参数进行调节,同时根据加热管的实际温升速率修正控制作用,可对温度迟滞特性进行抗扰度补偿。
Description
技术领域
本发明涉及医用输血输液加温仪技术领域,具体涉及一种医用输血输液加温仪的恒温控制系统。
背景技术
医用输血输液加温仪是对输入人体的液体进行加温的设备,一般采用热传递原理进行加温。对于采用硅胶管作为热传导介质的加温设备,硅胶管内部的加热丝产生热量通过硅胶管将热量传递到输液器内部流动的液体。
对于采用硅胶管作为热传导介质的加温设备一般存在以下几个问题:
首先,由于热量通过加热丝传递到硅胶管具有迟滞特性,普通的PID恒温控制算法的快速性和超调量很难做到兼容。如果保证了加热的快速性,那由于热传递的迟滞特性,很容易产生温度超调;如果让加热管的温度准确地到达目标值,保证系统的超调量,那加热的速度又比较慢。
其次,由于加温设备可设置的目标温度一般是一个范围,如33℃~41℃,可使用的环境温度也是一个范围,如5℃~30℃,因此,一组PID参数不能同时满足每个目标温度值时的恒温控制效果都达到最佳。
再次,环境温度较低时,加热管的热量损失较多。
最后,加热丝在加热管内部位置有一定的公差,热传递可能存在不均匀的情况,因此,采用单点测温并不能反应加热管的实际温度值。
发明内容
本发明针对目前加温设备的恒温控制中快速性和超调量难做到兼容、恒温控制效果不佳等问题,提出了一种医用输血输液加温仪的恒温控制系统。
本发明提出了一种医用输血输液加温仪的恒温控制系统,包括动态修正模块、扰动补偿模块、测温模块以及加热管,所述动态修正模块包括神经网络控制器和PID控制器;所述神经网络控制器以目标温度值和环境温度值作为输入量,并在所述神经网络控制器输出控制参数,所述控制参数输入所述PID控制器作为所述PID控制器的控制参数,所述PID控制器根据所述控制参数并利用比例、积分、微分运算获得输出信号,所述输出信号输入所述扰动补偿模块;所述测温模块获得所述加热管温度后传输给所述扰动补偿模块,所述扰动补偿模块根据所述加热管温度对所述输出信号进行扰动补偿。
优选的,所述测温模块获得的所述加热管温度输入所述扰动补偿模块后被处理为温升速率,所述加热管温度与目标温度值的差值小于预设差值时,所述扰动补偿模块根据所述温升速率对所述输出信号进行扰动补偿并输出补偿后信号。
优选的,所述神经网络控制器设置为BP神经网络控制器。
优选的,所述恒温控制系统还包括超温监测模块,所述超温监测模块包括软件超温监测模块和硬件超温监测模块。
优选的,所述加热管具有内侧弧面,所述测温探头设置于所述加热管内并靠近所述内侧弧面,所述测温探头在所述加热管的横截面上绕所述内侧弧面按照一定角度均匀设置多组。
优选的,将不相邻的所述测温探头编为一组,得到两组所述测温探头,其中一组测得温度后取平均值并输入所述软件超温监测模块,另一组测得温度后取平均值并输入所述硬件超温监测模块。
优选的,所述软件超温监测模块与所述硬件超温监测模块中的任一个发现输入的温度值大于所述软件超温监测模块与所述硬件超温监测模块内的预定值后,所述加热管停止加热。
优选的,所述测温探头设置于所述加热管尾部。
优选的,所述测温探头设置为热敏电阻。
优选的,所述测温模块设置为温度传感器。
本发明的有益效果是:
1、该医用输血输液加温仪的恒温控制系统采用PID控制算法,并加入了神经网络控制对PID参数进行调节,同时根据加热管的实际温升速率修正控制作用,可对温度迟滞特性进行抗扰度补偿。
2、采用神经网络控制器根据目标温度值和环境温度值进行PID参数动态修正,匹配不同设置温度和环境温度下的参数值,可适用的温度范围更宽。
3、在PID控制器输出后增加扰动补偿模块,在系统温度误差小于一定值后,根据加热管的实际温升速率来动态修正PID输出作用,使实际温度逐步接近目标值,即在实际温度接近目标值附近时,减小PID输出控制作用,用加热管由于迟滞作用而尚未传递出的热量来补充,既可以满足系统温度误差较大时的快速性,又可以消除因加热管的迟滞特性带来的超调问题,同时对加热管因为环境带来的热损失也具有补偿作用。
4、散落在加热管内部同一横截面不同位置的测温探头同时采温取平均值的测温方法可以防止因加热管热量不均匀时单点测温的采温不准确的问题;一部分测温探头采温后取平均值送至软件超温监测模块并实时进行超温监控;另一部分采温探头采温后取平均值送至硬件超温监测模块并实时进行超温监控,软件和硬件的其中任意一个模块发现温度超过预定值,立刻使加热管停止加热,如此软件和硬件两模块对温度实时监控大大增加了加热管的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案,下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所述的医用输血输液加温仪的恒温控制系统的原理框图。
图2为本发明所述的医用输血输液加温仪的恒温控制系统的流程图。
图3为本发明所述的BP神经网络的模型训练流程图。
图4为本发明所述的加热管测温点处的横截面图。
图5为本发明所述的加热管的简示意图。
图中:1、测温探头一,2、测温探头二,3、测温探头三,4、测温探头四,5、测温探头五,6、测温探头六,7、加热管尾部,8、加热管采温部位,9、航插端子,10、加热管头部。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂,下面将结合本具体实施例中的附图,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而非全部的实施例。基于本专利中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本专利保护的范围。
在本实施例中,如图1至图3所示,本发明提出了一种医用输血输液加温仪的恒温控制系统,包括动态修正模块、扰动补偿模块、测温模块以及加热管,动态修正模块包括神经网络控制器和PID控制器;神经网络控制器以目标温度值和环境温度值作为输入量,并在神经网络控制器输出控制参数,控制参数输入PID控制器作为PID控制器的控制参数,PID控制器根据控制参数并利用比例、积分、微分运算获得输出信号,输出信号输入扰动补偿模块;测温模块获得加热管温度后传输给扰动补偿模块,扰动补偿模块根据加热管温度对输出信号进行扰动补偿。具体的。测温模块获得的加热管温度输入扰动补偿模块后被处理为温升速率,加热管温度与目标温度值的差值小于预设差值时,扰动补偿模块根据温升速率对输出信号进行扰动补偿并输出补偿后信号。其中,神经网络控制器设置为BP神经网络,测温模块设置为温度传感器。
如图1所示,其中动态修正部分:由于加温仪使用的环境温度范围是5~30℃,可设置的温度是33~41℃,温度范围比较宽,低温环境下热损失比较多,一组PID参数无法同时满足所有环境温度下的设置温度的最佳性能,因此,目标温度值和环境温度首先输入BP神经网络,经BP神经网络输出控制参数后再输入PID控制器,进行PID参数动态修正,匹配不同设置温度和环境温度下的参数值,可适用的温度范围更宽。
其中的扰动补偿部分:由于加热管的热传递具有迟滞特性,采用常规PID控制会导致系统温度的快速性和超调量无法兼顾。因此,在PID控制器后增加扰动补偿模块,在系统温度误差小于一定值后,根据系统温升的速率动态修正PID输出作用,使系统温度逐步接近目标值,即在系统温度接近目标值附近时,减小PID输出控制作用。
由于常规PID控制器的一组参数无法保证不同环境温度下的控制效果,并且由于热传递的迟滞特性,系统的超调量和快速性无法兼顾,因此增加动态修正部分和扰动补偿部分。
具体而言,动态修正部分中:BP神经网络可以根据环境温度和目标温度对PID控制器的参数进行动态修正,以适应不同环境温度下的热损失,整个系统对环境适应性更强。BP神经网络的输入参数有2个:目标温度P、环境温度T;输出参数有3个:比例系数KP、积分系数KI、微分系数KD;网络训练的目标函数如下:
如图3所示,BP神经网络根据样本数据训练网络,该网络根据环境温度和设置的目标温度给出一组PID控制器的参数,BP神经网络的非线性拟合能力强、对噪声的输入有一定的抑制作用,系统对环境的适应性更强。
具体而言,扰动补偿部分中:根据加热管热传递的迟滞特性对PID控制器的输出作用uk进行扰动补偿。在系统误差|ek| ≤ 1.1℃条件下,检测系统温升速率,当检测到系统温升速率连续2次超过一定温度值T0时,对PID控制作用按照一定函数衰减。温升速率越高,控制作用衰减的越多。衰减部分的控制作用则由加热管迟滞温度补偿,将加热管内部未及时传递出来的热量补偿到系统中去,一定程度上保证了系统的快速性,减小了超调量。并且算法简单,易于实现。
恒温控制系统还包括超温监测模块,超温监测模块包括软件超温监测模块和硬件超温监测模块。
如图4和图5所示,加热管具有加热管尾部7和加热管头部10,加热管采温部位8设置于加热管尾部7处,加热管上侧还设置有航插端子9;如图4所示的加热管采温部位8处的截面图所示,加热管具有内侧弧面,测温探头一1、测温探头二2、测温探头三3、测温探头四4、测温探头五5、测温探头六6设置于加热管尾部7处,且在加热管的横截面上绕内侧弧面并靠近内侧弧面设置,该测温探头均使用热敏电阻。将不相邻的测温探头编为一组,得到两组测温探头,其中一组为测温探头一1、测温探头三3以及测温探头五5,以上三个测温探头在测得温度后取平均值并输入软件超温监测模块,另一组测温探头二2、测温探头四4以及测温探头六6在测得温度后取平均值并输入硬件超温监测模块。软件超温监测模块与硬件超温监测模块中的任一个发现输入的温度值大于软件超温监测模块与硬件超温监测模块内的预定值后,断掉加热管的电源,使加热管停止加热,如此软件和硬件两模块对温度实时监控大大增加了加热管的安全性。
通过上述实施方式可以看出,本发明的有益效果是:
1、该医用输血输液加温仪的恒温控制系统采用PID控制算法,并加入了神经网络控制对PID参数进行调节,同时根据加热管的实际温升速率修正控制作用,可对温度迟滞特性进行抗扰度补偿。
2、采用神经网络控制器根据目标温度值和环境温度值进行PID参数动态修正,匹配不同设置温度和环境温度下的参数值,可适用的温度范围更宽。
3、在PID控制器输出后增加扰动补偿模块,在系统温度误差小于一定值后,根据加热管的实际温升速率来动态修正PID输出作用,使实际温度逐步接近目标值,即在实际温度接近目标值附近时,减小PID输出控制作用,用加热管由于迟滞作用而尚未传递出的热量来补充,既可以满足系统温度误差较大时的快速性,又可以消除因加热管的迟滞特性带来的超调问题,同时对加热管因为环境带来的热损失也具有补偿作用。
4、散落在加热管内部同一横截面不同位置的测温探头同时采温取平均值的测温方法可以防止因加热管热量不均匀时单点测温的采温不准确的问题;一部分测温探头采温后取平均值送至软件超温监测模块并实时进行超温监控;另一部分采温探头采温后取平均值送至硬件超温监测模块并实时进行超温监控,软件和硬件的其中任意一个模块发现温度超过预定值,立刻使加热管停止加热,如此软件和硬件两模块对温度实时监控大大增加了加热管的安全性。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种医用输血输液加温仪的恒温控制系统,其特征在于,包括动态修正模块、扰动补偿模块、测温模块以及加热管,所述动态修正模块包括神经网络控制器和PID控制器;
所述神经网络控制器以目标温度值和环境温度值作为输入量,并在所述神经网络控制器输出控制参数,所述控制参数输入所述PID控制器作为所述PID控制器的控制参数,所述PID控制器根据所述控制参数并利用比例、积分、微分运算获得输出信号,所述输出信号输入所述扰动补偿模块;
所述测温模块获得所述加热管温度后传输给所述扰动补偿模块,所述扰动补偿模块根据所述加热管温度对所述输出信号进行扰动补偿。
2.根据权利要求1所述的医用输血输液加温仪的恒温控制系统,其特征在于,所述测温模块获得的所述加热管温度输入所述扰动补偿模块后被处理为温升速率,所述加热管温度与目标温度值的差值小于预设差值时,所述扰动补偿模块根据所述温升速率对所述输出信号进行扰动补偿并输出补偿后信号。
3.根据权利要求1所述的医用输血输液加温仪的恒温控制系统,其特征在于,所述神经网络控制器设置为BP神经网络控制器。
4.根据权利要求1所述的医用输血输液加温仪的恒温控制系统,其特征在于,所述恒温控制系统还包括超温监测模块,所述超温监测模块包括软件超温监测模块和硬件超温监测模块。
5.根据权利要求4所述的医用输血输液加温仪的恒温控制系统,其特征在于,所述加热管具有内侧弧面,所述测温探头设置于所述加热管内并靠近所述内侧弧面,所述测温探头在所述加热管的横截面上绕所述内侧弧面按照一定角度均匀设置多组。
6.根据权利要求5所述的医用输血输液加温仪的恒温控制系统,其特征在于,将不相邻的所述测温探头编为一组,得到两组所述测温探头,其中一组测得温度后取平均值并输入所述软件超温监测模块,另一组测得温度后取平均值并输入所述硬件超温监测模块。
7.根据权利要求6所述的医用输血输液加温仪的恒温控制系统,其特征在于,所述软件超温监测模块与所述硬件超温监测模块中的任一个发现输入的温度值大于所述软件超温监测模块与所述硬件超温监测模块内的预定值后,所述加热管停止加热。
8.根据权利要求5所述的医用输血输液加温仪的恒温控制系统,其特征在于,所述测温探头设置于所述加热管尾部。
9.根据权利要求5所述的医用输血输液加温仪的恒温控制系统,其特征在于,所述测温探头设置为热敏电阻。
10.根据权利要求1所述的医用输血输液加温仪的恒温控制系统,其特征在于,所述测温模块设置为温度传感器。
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