基于单片机的输液保温控制系统毕业设计.docx
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基于单片机的输液保温控制系统毕业设计
基于单片机的输液保温控制系统毕业设计
第一章引言
70年代初出现的计算机断层摄影（CT）；80年代初出现的磁共振成像装置（MR-CT）以及可根据监护患者心脏情况而自动起搏的起搏器等均是医用智能仪器在医疗领域成功应用的范例。
在医疗领域有许多诊断方法、治疗措施由于电脑控制的加入形成了更实用更有效的智能仪器装置，如各种病人自动监护系统、自动诊疗系统以及人工器官等均是智能控制技术在医学领域成功应用的范例。
在许多智能化的医疗仪器中，均采用了单片机控制系统，由于单片机的加入提高了控制系统的控制水平，如微处理器控制的人工胰脏、人工肾、人工眼、人工耳等，在这些人工器官中均体现了单片机控制的优势。
在临床检验仪器的自动化方面，如分光光度计、电泳仪、电解质分析仪等由于微电脑的引入，使所设计的仪器结构简单、使用更方便。
此外，在生理监护系统中，利用计算机控制技术可实现在自动生化分析仪采集、处理、存储数据与控制仪器的工作，使自动生化分析仪的分析速度有了很大提高。
其它，如计算机的辅助诊断、辅助放疗计划系统、脉搏信号的计算机分析等均是计算机控制技术在医疗领域成功应用的实例。
在医疗部门临床上医生常需给患者输液来治疗各种疾病。
由于输液治疗方式具有治疗手段简单、效果好的特点，故长期以来一直是临床上最常使用并受到病患者广泛欢迎的治疗手段之一。
对输血时低温情况下产生的不良反映，国外已研制出了输血加热器与输血温度监护器来成功解决此问题。
对低温时输液会对病人产生不适这一医疗问题，国内1999年出现的医用一次性输液自热保温袋，采用化学反应产生热量对输液进行保温来减缓在战争期间严冬环境下伤员的输液反应，由于该产品是一次性使用的，并且温度不可控制，所以不适用于和平时期病房里输液保温的实际需要。
2002年出现的保温型静脉输液支架，采用温控开关进行输液的自动控制（39℃通，46℃断）。
但由于输液是典型的大惯性的系统，当传感器检测到温度达到46℃而断开加热时，温度实际上会继续上升；该系统的目标温度范围（39℃~46℃）偏高存在一定的不合理性，输液的药液稳定性和温度有关，温度愈高，药液的化学稳定性愈差，该系统设定的偏高的温度容易使药液在输入人体内之前就产生分解，从而影响实际疗效；此外，该系统未考虑输液的滴速不同带来的影响。
输液保温器的研究与开发可实现在输液室温环境温度较低（0℃~15℃）情况下，将输液出口药液温度保持在人体感觉舒适的温度20℃左右，避免低温输液对病人产生的不适反应。
但在输液时由于药液的温度与人体的温度（35℃~37℃）总是存在一个温度差，而药液的温度一般与室温一致，这样在寒冷的冬天药液的温度将与人体的温度有几十度的温差，此时当医生给病人进行输液时，由于药液的温度低，输入体内的药液与血液混合后将使病人产生不适感，严重时会产生体位性低血压使病人头晕甚至出现昏厥等现象。
由于目前的输液保温器存在较严重缺陷，开发一个能使输入病患者体内的药液温度保持在舒适温度的智能仪器有临床的实际需求。
输液保温器的研究与开发，将从根本上解决病人输液时的不适感，该仪器可将输入病患者体内的药液温度控制在20℃左右（人体感觉舒适的温度，也是特护病房的温度），使患者在无不适感的情况下完成输液治疗过程。
因此本课题的研究具有较好的临床医学应用价值与较广泛的应用前景。
一.1医用智能仪器设计时应考虑的相关因素
随着科学技术的不断发展，特别是自动控制技术与计算机应用的普及与发展，大大提高了智能仪器的设计水平与应用范围。
目前在医疗领域已出现了一些实用的医用智能设备与仪器，这些医用智能设备与仪器的使用提高了对疾病的诊断和治疗水平，也大大促进了医疗事业的进步。
由于医用仪器临床使用的特殊性，在设计医用仪器时要考虑到一些相关因素。
影响医用电子仪器设计的基本因素有[1]：
信号因素、环境因素、医用因素、可靠性因素和经济性因素。
（1）信号因素。
设计时要考虑传感器（或医用传感器）所获取的信号情况，信号应准确无误。
（2）环境因素。
设计时应考虑所设计的仪器使用时的特定环境所提出的技术要求。
（3）医学因素。
设计时考虑仪器与人体间的作用方式。
考虑仪器具有一定的散热性能以及仪器的绝缘性能，保证仪器无论是在正常使用时，还是在出现故障的情况下，均具有良好的绝缘性能，确保人身安全。
（4）可靠性因素。
医疗护理、监测仪器等其失效可能导致生命悠关。
因此，在医用智能仪器的设计过程中，对可靠性的考虑应贯穿于每一设计环节，要采取各种措施提高仪器的可靠性，确保仪器能长时间地稳定工作。
（5）经济性因素。
设计时要考虑仪器的价格、使用寿命和兼容性。
设计时应根据上述五个基本因素进行仪器初步设计和安装调试，再对仪器设计进行反复修正和调试，做出样机，并应进行一定时间的临床观察和运用，在性能指标均能达到设计要求的前提下，请有关部门进行鉴定，然后做小批量生产，直至批量生产。
一.2本文的主要研究工作和各章内容安排
单片机在医疗领域的运用，使医疗器械智能化得到了大幅度的提高，极大地提升了医疗器械的功能，并催生了许多新型的医疗器械。
本文针对低温时输液会对病人产生不适这一医疗问题，研究并开发了单片机控制的输液保温器来解决上述医疗问题。
设计中成功运用PID控制理论及单片机控制技术，创新设计了输液保温器这一新型的医疗器械。
论文根据输液保温器的控制目标为输液的出口药液温度维持在20℃左右出发，选用高性价比的8051单片机为控制单元，采用基于PID控制算法，通过对一定室温环境下加热元件的加热时间、保温时间、再加热时间及再保温时间的控制，实现输液出口药液的温度控制。
分析研究了输液保温器系统的硬件与软件可靠性设计。
全文共分五章，各章的主要研究工作如下。
第一章引言综述对智能仪器的发展过程和输液保温器研究现状作了剖析，讨论了设计医用智能仪器时应考虑的相关因素。
第二章对系统的总体方案进行了论证，介绍了系统的总体结构方案、工作原理与工作流程，对输液保温器的设计思想作了讨论，提出了智能仪器设计应采用自顶向下设计、软硬件折衷设计、性价比高的设计与高可靠性设计的思想。
第三章对控制方式做了研究，并对控制方式的分类及特点做了较深入的分析，最终选用PID控制，在对PID的原理、分类和整定做了探讨。
第四章详细论述了输液保温器系统8051中单片机的工作原理，给出了单片机应用系统硬件电路布置，同时还分析研究了系统的硬件可靠性设计。
在下面的第五、六、七章分别对温度和A/D转换、数码显示、看门狗和输出驱动，分三部分做了详细论述。
第八章针对输液保温器系统的工作要求，进行了PID控制的软件编程，实现了输液保温器系统的控制。
研究了系统的软件可靠性设计问题。
在结束语中指出系统存在的问题和需要改进的地方。
第二章系统总体设计
二.1系统总体方案论证
输液保温器的控制目标为：
一定室温（0℃~15℃）条件下将输液出口药液温度控制在20℃左右。
其主要技术指标为：
1.温控达到设定工作温度时间<3分钟。
2.最高工作温度误差<±3℃。
实现输液保温器的控制目标，温度的检测与控制是两个关键环节。
温度的检测可用温度传感器实现。
二.1.1加热位置与加热方式
要实现在室温较低的环境下将输液出口药液温度控制在20℃左右，就必须对药液进行加热。
因此，加热位置与加热方式的选择是保证输液保温器正常工作的关键环节之一。
输液保温器的设计应保证药液在输入患者体内时已被加热至20℃左右。
由于盐水瓶体积较大，而且在输液过程中盐水瓶内的药液将越来越少，给盐水瓶进行恒温加热很不容易实现。
考虑到输液管中的药液量远比盐水瓶中的少且在整个输液过程中输液管内药液的体积是维持不变的，对输液管中药液加热以及温度控制较易实现，因此，系统选择输液管下部的一段为加热位置。
在加热方式的选择上，设计过程中做了几种方案的比较：
1.选择电热毯加热方式来加热输液管。
由于电热毯电路的单位平方能承受的最大功率远小于设计要求，故不能采用[2]。
2.采用定制的薄膜加热电路加热输液管，同样由于单位平方能承受的最大功率问题，定制的样品没过关[2]。
3.在厂家定制了内部为电阻丝外面是铝的加热元件加热输液管。
在使用时发现，由于铝的加工面不能和输液管很好的贴合，热效益低，影响了输液出口药液温度的上升[2]。
4.采用加热元件对一定体积的水进行加热，并将10cm长的输液管埋在水里实现热的传递。
这是本设计最终采用的加热方式。
选用输液管下部的一定长度的输液管为加热的位置，实现输液管内液体的加热，设计时制作了一特制的加热装置，如图2.1所示，一个长宽高分别为10cm、3cm、6cm的铁槽。
之所以选择铁槽是因为铁的导热性能比较符合设计加热与散热的速度。
如果温度过高能较快的速度使热量散发掉。
在槽中加入一半高度的水恰好为100ml左右的水，使输液管充分浸泡在水中。
加热器使用100W的电阻丝在瓷管中穿过并固定在槽的底部。
加热部分也用铁壳包裹起来，底部设有通风口，壳的周围有石棉垫进行隔热，以免外部过热灼伤人。
将水加到容器的3.5cm时为105ml水，可在容器内设一刻度线。
水的比热容为4.2×103J/KG·℃，100ml的水升高1℃约需要420J的热量即升高每摄氏度需要4秒的时间，0℃的水升高到20℃需要80s，已能满足设计要求。
输液管的安装可以在水槽长度的之间加一个向下硬的弯曲的弯管。
这个管的两端卡在槽两个沿上的并可以取下，这样输液管可以较灵活的活动，病人不会受到太大的束缚。
图2.1加热装置
二.1.2温度传感器安装
将传感器固定在保温的棉布上后将其包裹在输液管壁，使传感器紧贴输液管管壁，然后将其缠上。
二.1.3控制单元的确定
控制单元是控制系统的核心，正确定位控制单元可使系统在实现预定功能的同时还具备高可靠性与高性价比的特性。
常用控制单元有微机控制、DSP控制器与单片机控制。
（1）微机控制
微机控制系统有处理速度高、存储容量大、人机接口功能强的特点，但产品成本高。
（2）DSP控制器[3]
DSP控制器的突出特点是采用多组总线技术实现了并行机制，有独立的加法器和乘法器，有灵活的寻址方式，可以非常快速的处理复杂算法，广泛使用于音频、视频、多媒体、家电、手机、网络等领域，但目前成本较高。
（3）单片机控制。
单片机控制有以下几个特点：
（1）体积小、重量轻、功耗低、功能强、性价比高。
（2）数据大都在单片机内部传送、运行速度快、抗干扰能力强，可靠性高。
（3）结构灵活，易于组成各种单片机应用系统。
（4）应用广泛。
可用于测量仪器、医疗仪器及家用电器、工业自动控制等领域。
综合考虑后，本设计的控制单元选定了单片机作为控制单元。
二.1.4驱动电路
单片机输出的是0V~5V的低压信号，不足以驱动加热元件。
加热元件的控制可以有两种方式：
通过控制电流的大小控制加热元件的功率与通过控制电压来控制加热元件的功率。
由于电流控制方法电路比较复杂，因此本设计采用通过调整输出电压的脉宽来控制加热元件的平均功率。
单片机8051的P2.6口来控制加热。
二.1.5控制方式的选择
针对特定的控制对象，选择合适的控制方式，可以提高控制精度和降低成本，提高系统的可靠性。
在对系统作综合分析，考虑系统的输入与输出、控制的目标、实现控制的难易程度等因数的基础上来决定控制方式。
由于输液保温器实际使用时，为保证输液不受污染，不能实测输液出口处的药液温度。
针对系统的特点本文采用了PID控制器，工作时采用基于温度采集的数据，对给定输入量作数字PID运算，实现输液出口药液温度的实时控制。
二.2输液保温器的设计思想
二.2.1自顶向下设计
考虑整体目标，按仪器的功能将硬件与软件分成若干个模块，每个模块完成一个任务，并考虑各模块之间的关系。
对各个模块采用自顶向下的顺序进行设计与调试。
最后将各模块连接起来进行总调。
二.2.2软硬件折衷设计
从仪器的功能、成本、研制周期和费用等多方面综合考虑软硬件的配置。
在输液保温器中某些功能必须用硬件来实现，而有些功能利用软件或硬件都可完成。
在硬件设计方面，选用合适的单片机和其它大规模集成电路制成功能模板，以满足仪器的特定需求。
软件可完成复杂的运算，修改方便，缺点是执行速度比硬件慢；硬件执行速度快，但成本高且组装后改动困难。
在设计时应考虑到软硬件的各自优势，合理选用软硬件，在开发过程中，将硬件设计与软件设计同时进行来缩短研制周期。
同时要确保设计的仪器在规定的工作环境里能正常工作。
二.2.3高性价比的设计
在设计时不应盲目地追求复杂高级的方案，在满足性能指标的前提下应尽可能采用简单的方案，从而获得较高的性能价格比。
二.2.4高可靠性设计
一个单片机控制系统质量的高低主要表现在它的技术性能、可靠性、适应性和经济性四个方面，其中技术性能和可靠性是最主要的方面。
引起系统故障的原因一般来自两大方面：
一是系统运行的外界环境条件通过系统内部反映出来的故障；二是系统内部自身产生的故障。
外界环境条件引起的故障因素主要有：
工作电源的异常、环境温度的异常、电磁干扰、机械的冲击和震动等。
系统内部引起的故障因素有：
元器件的失效、焊接点的虚焊脱落、接插件的导电接触面氧化或腐蚀、线路连接线的开路或短路等。
二.3系统的总体结构与工作原理
二.3.1输液保温器系统的总体结构
图2.2输液保温器系统的总体结构
温度采集模块实现温度信号的采集并将信号转换输入单片机，单片机采用PID控制技术控制晶闸管的开、闭时间及电压的导通角，从而控制加热元件的工作时间实现输液出口药液温度的保温控制。
温度显示模块显示室温、输液出口的药液温度。
二.3.2输液保温器的工作原理
温度传感器放在输液管的出口处检测药液的出口的温度并由数码管显示检测的药液温度；传感器及放大电路的输出信号是电压模拟量，通过模数转换器将其转换成数字信号以便单片机和处理；单片机控制晶闸管来实现加热元件的工作时间控制。
采用PID控制技术控制加热元件的工作时间，实现输液出口药液温度的控制。
系统工作过程中，数码管显示输液出口药液的实测温度。
二.3.3系统的工作流程
输液保温器的工作流程为：
1.悬挂药水瓶。
2.给容器加水并将输液管置于加热装置中。
3.将输液管与药水瓶连接。
4.将温度传感器贴放在输液管的管壁上。
5.按下开始键。
医护人员手动调整滴到合适速的滴速。
输液保温器开始加热药液并实现输液的温度控制。
6.给病人输液至输液结束，关闭电源。
输液保温器停止工作。
二.4系统可靠性分析
可靠性是仪器在规定的条件下和规定的时间里完成规定功能的能力。
可靠性指标除了可用完成功能的概率表示外，还可用平均无故障时间、故障率、失效率或平均寿命等来表示。
软件的可靠性设计在系统可靠性设计中有着重要位置，通过系统的软件可靠性设计，可最大限度地降低干扰对系统工作的影响，确保系统能正常工作。
提高软件可靠性的措施有[4]：
开机自检技术、输出反馈、数字滤波技术、软件测试技术等。
数字仪器的可靠性设计是非常重要的，软、硬件都必须采取一定的措施。
为增强系统的可靠性和抗干扰能力，在硬件设计上，充分考虑元器件的合理布局及合理布线，减少系统内部的干扰；采用光电隔离等措施防止外部干扰。
此外合理选择元器件、可靠的电路设计与抗干扰设计、接地技术也是提高硬件设计可靠性的有力措施。
第三章系统控制方式选择研究
不同的控制系统有不同的控制特点，为一个控制系统选择一个合适的控制方式是设计控制系统的重要环节，这也是设计控制系统系统首先要考虑的问题。
三.1控制系统的分类
控制系统可从不同的出发点来进行分类[5]。
1.按控制形式分类
有开环系统、闭环系统、复合系统等。
开环控制系统是指控制系统的输出只随给定值变化，而与被控制对象的被控参数变化无关的控制系统。
闭环系统是按偏差来进行控制的反馈控制系统。
复合系统将按闭环控制与按扰动量控制结合起来，对于主要扰动量采用适当的补偿装置实现按扰动量控制，同时再组成闭环控制系统实现偏差控制，以消除其余扰动量产生的偏差。
2.按控制策略分类
有PID控制系统、变结构控制系统、自适应控制系统、模糊控制系统、专家控制系统、聚类融合控制系统等。
变结构控制（VariableStructureControl，简称VSC）是一种不连续的反馈控制系统。
变结构控制方法通过选取适当的切换函数，当系统的状态达到切换函数时，系统从一种结构变换为另一种结构。
自适应控制是指通过在线实时学习，自动获取知识并将所学的知识用来不断改善被控对象的性能和状态的一种控制系统。
模糊控制系统是一种在行为上模拟人的模糊推理和决策过程的一种控制系统。
专家控制系统是一种在某个领域内，以人类专家的知识和经验来解决该领域中高水平的困难任务的计算机控制系统。
聚类融合控制系统，不是像常规控制那样直接利用传感器的检测数据经过某些控制算法后进行控制，是融合多个传感器数据并类聚成反映运行状况的类别，根据每一类别所描述的过程行为特点采用相应的控制策略进行控制。
3.按被控量的类型分类
有单变量系统、多变量系统等。
4.按处理的信息分类
有连续系统、离散系统等。
连续系统是指系统中各个参量的变化都是连续进行的系统。
离散系统是指系统中某处或多处的信号为脉冲序列或数码形式，信号在时间上具有离散性的系统。
5.按系统性质分类
有线性系统、非线性系统。
线性控制系统是指系统的元件的特性均为线性的，其输入输出关系可都用线性微分方程来描述。
非线性控制系统是指系统中有一个或多个元部件的输入输出特性有非线性的系统。
6.按系统结构分类
有单机控制系统、分级系统、分布式系统、现场总线系统。
单机控制系统（directsupervisorysystem）由一台计算机和有关的过程接口和外围设备组成来完成系统的全部功能。
分级系统（multi-levelcomputersupervisorycontrolsystem）是由多台计算机构成系统中的各个级来完成多种控制功能，各级之间通过通信传送信息、相互协调。
分布式控制系统（distributecontrolsystem）采用集中操作管理、分散控制，系统的层次一般分为四级，每一层具有一台或多台计算机，各计算机连成网络，相互协调。
第一层为直接测控级，直接面对生产现场的各类设备，完成各现场设备的监测、控制；第二层为过程优化级，它可综合监视直接控制级中各站点的所有信息，集中显示，集中操作，进行各控制回路的组态、参数设定和修改，优化控制过程等；第三层为生产管理级，该层的管理计算机为决策者提供有关信息，使计划协调和生产管理处于最佳状态。
第四层为经营决策层，该层的中央计算机担负全厂或全公司的总体协调、计划管理、市场营销。
现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传播、多分支结构的通讯网络。
现场总线控制系统（fieldbuscontrolsystem）将构成自动化系统的各种传感器、执行器及控制器通过现场控制网络联系起来，通过网络上的信息传输完成传统系统中需要硬件连接才能传递的信号，并完成各设备的协调，实现自动化控制。
三.2不同控制系统的特点及应用
早期的控制系统由于当时的控制类型少，应用范围有较大的局限性。
但近十几年来，控制理论得到了迅速发展，出现了许多新型的控制方式，形成了各具特色的控制系统，极大地提高了控制系统的应用水平。
表3.1展现了不同控制系统的特点及应用[6]。
表3.1不同控制系统的特点及应用
控制类型与出现年代
特点
应用
PID控制（20世纪40年代）
适用可建立精确数学模型的确定性、算法简单、鲁棒性好、可靠性高；适应能力差、参数修改与整定不方便
工业过程控制
续上表
控制类型与出现年代
特点
应用
自适应控制（20世纪50年代）
自动辨识被控过程参数、适应被控过程参数变化、自动整定控制器参数、适用于一定程度的不确定系统；鲁棒性差
飞行器控制系统、温度控制、目标跟踪
变结构控制（20世纪60年代）
适用于多种线性系统与非线性系统、不连续性控制、鲁棒性好、快速响应、物理实现简单；存在抖动问题
机器人控制、飞行控制、电力系统控制、机电控制
递阶控制（20世纪70年代）
大型、复杂、不确定性系统，自下向上，智能成分递增而精度递减；难以实现不确定系统的有效控制
工业过程控制、机器人装配、医院机器人操作
模糊控制（20世纪70年代）
无需建立受控对象的数学模型，可处理一些不确定性问题、串行处理方式，较强的鲁棒性、较强的容错能力；容易用单片机来构造模糊控制系统；自学习能力差、模糊建模困难、动态响应差、存在稳态误差
家电产品智能化、工业自动化的控制系统、伺服电动机、自动驾驶、燃料喷射控制、净水处理、电梯群控、智能仪器仪表
预测控制（20世纪70年代）
无需建立对象的数学模型、建立预测模型方便、可实现在线滚动优化与反馈校正、鲁棒性强、适用于控制复杂的工业生产过程;模型预测精度不高、滚动优化策略少、反馈校正方法单调
石油、化工、冶金、机械等工业过程控制
续上表
专家控制（20世纪80年代）
可靠性高、连续性运行、在线控制的适时性、自适应、自学习能力、使用灵活、维护方便；结构复杂、造价高
故障诊断、机器人控制、工业设计、工业过程控制
神经网络控制（20世纪80年代末）
无需建立受控对象的数学模型，可解决复杂非线性、不确定、不确知系统的控制问题，自组织自学习能力与并行处理能力，强鲁棒性，较强的容错能力；学习速度慢，稳定性较差，缺乏系统化的设计方法，缺乏硬件支持，难以发挥神经网络的优点
家用电器、工业对象、航空、机器人控制、系统辨识、智能检测
三.3输液保温器的控制方式的确定
控制方式的选择要考虑控制对象的具体要求、要实现的控制系统的性能指标、所选控制方式的控制特点及该控制方式的适用范围、控制系统所选择的控制方式实现的难易程度等因素。
在选择一个控制系统的控制方式时，除了可选用表3.1中的控制手段外也可选择将目前已有的各种控制手段结合起来形成的控制系统。
通过分析不同控制方式的优势与不足，将两个不同的控制方法有效结合起来形成一种新型控制，使综合的新型控制系统能体现出两种控制方法的总体优势而尽量避免各自的不足。
如PID控制与其它方式的结合可形成：
模糊PID控制、自适应PID控制、神经网络PID控制、预测PID控制等，它们具有不依赖系统的精确数学模型、鲁棒性好的特点。
选择控制方式时也可考虑将不同类型的智能控制与常规控制模式有机组合起来，形成一种新的组合智能控制系统，这将会使新的控制系统有更佳的性能与整体优势。
如：
基于神经网络的自适应控制系统、PID模糊控制器等。
将模糊控制与变结构控制结合组成的控制系统，可不依赖于系统的模型，在保持常规模糊控制的优点时，又可减弱单纯变结构控制系统存在的抖动问题。
近几年还出现了一类集成智能控制系统，即将几种智能控制方法或机理融合在一起构成一种新的智能控制系统。
应该指出，在选择控制方式时不应盲目地追求复杂高级的控制方案，而应该在满足性能指标的前提下尽可能采用简单的控制方案，从而获得较高的性能价格比。
当前，随着微电子技术的发展，在智能仪器的设计中越来越多的采用了单片机作为控制单元，由于单片机控制功能强、体积小、价格便宜、功耗低，并具有一定的数据处理能力，而且支持软件很多，便于开发，因此广泛用于智能仪器中。
这种高性价比芯片的使用，极大地提高了智能仪器的性能。
因此，在选择控制方式时，应尽可能选用易于应用单片机控制的控制方式，以得到高的性价比。
本文所研究的输液保温器控制目标是要求在不同的室温条件（0℃～15℃）与不同的滴速下均可将输液出口药液温度控制在20℃左右。
选用PID控制就可以达到较好的控制效果。
PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业
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