模糊控制技术在点滴速度控制装置中的应用.docx

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模糊控制技术在点滴速度控制装置中的应用

中工

信商

2014-JX16-

本科毕业论文（设计）

模糊控制技术在点滴速度控制装置中的应用

系（部）

信息工程系

专业

测控技术与仪器

学号

201007064116

学生姓名

李秀真

指导教师

梁富增

提交日期

2014年5月日

摘要

医院最常用的医疗手段之一就是输液，输液不但是一种重要的给药方式，还是给患者补充所需营养成分以及体液的重要方法。

而输液的过程中，其中一个很重要的参数就是输液速度，一般要根据患者的年龄、病情和药物的种类等因素来分别确定。

根据以上的叙述，本文结合一个实际科研课题，提出一种基于红外检测技术、计算机网络技术和智能模糊控制技术的分布式主从测控网络，从而来实现对输液点滴速度自动的检测和调节，并监控剩余药液的解决方案。

根据以上的要求开发了一个基于RS—485总线的主—从式测控网络的智能的输液系统，研发了基于AT89C51单片机的Fuzzy+PID控制软件;设计了一个从站硬件系统且该系统的核心为AT89C51单片机，针对点滴速度检测的难点,采用红外光电的检测技术,并通过应用调制解调技术以排除环境光源的干扰等措施,保证点滴速度检测的准确性与可靠性实验测试结果表明，系统输液速度的检测精度高，输液速度调节响应快、稳态误差小，液位监视报警输出信号准确、可靠。

这种实用、可靠、操作方便、节约劳力、降低劳动强度、提高操作准确性的原则，应用于医疗点滴输液速度测控系统中，应用于临床实践，可以提高医疗设备的自动化水平，给护士输液工作提供方便，给输液病人提供可靠的安全保证。

具有较高的应用价值。

关键词：

输液速度模糊控制PID调节主--从式测控网络

TheDesignOfFuzzyTechniqueintheControlSystemofDroppingSpeed

ABSTRACT

Theinfusionisthehospitalcommonlyusedmedicalservicemethod,itnotonlyisonekindimportantforthemedicineway,moreoverorsupplementsthebodyfluid,thenutritionimportantmethodforthepatient.Intheinfusionprocess,theinfusionspeedisaveryimportantparameter,generallymustaccordingtofactorandsoonpatientage,conditionandmedicinetypeseparatelydetermined.

Inviewoftheabovedemand,thisarticleunifiesanactualscientificresearchtopic,proposedonekindbasedontheinfrareddetectiontechnology,thecomputernetworktechnologyandtheintelligentfuzzycontroltechnologydistributionalhostfromtheobservationandcontrolnetwork,realizestotheinfusionintravenousdripspeedautomaticdetectionandtheadjustment,andsurveillancesurplusmedicinefluidsolution.

HasdevelopedbasedontheaboverequestbasedontheRS-485mainlineshosts-fromthetypeobservationandcontrolnetworkintelligentinfusionsystem,hasresearchedanddevelopedbasedonAT89C51monolithicintegratedcircuitFuzzy+PIDcontrolsoftware;HasdesignedtaketheAT89C51monolithicintegratedcircuitasthecorefromthestationhardwaresystem,inviewoftheintravenousdripspeedexaminationdifficulty,usestheinfraredtechnology,andthroughremovesenvironmentphotosourcemeasureandsoondisturbanceusingthemodulationdemodulationtechnology,guaranteedtheintravenousdripspeedexaminationtheaccuracyandthereliableexperimentteststheresulttoindicate,systeminfusionspeedexaminationprecisionhigh,theinfusionspeedregulationresponds,thestaticerrorquicklysmall,thefluidpositionsurveillancereportstothepolicetheoutputsignalaccurately,isreliable.

Thiskindpractical,isreliable,theeaseofoperation,thefrugallaborforce,reducesthelaborintensity,theenhancementprinciple,appliesinthemedicalintravenousdripinfusionspeedobservationandcontrolsystem,appliestotheclinicalpractice,mayenhancethemedicalequipmenttheautomatedlevel,infusestheworkforthenursetoprovidetheconvenience,providesthereliablesafeguaranteetotheinfusionpatient.Hasthehigherapplicationvalue.

KeyWords：

infusionspeed,fuzzycontrol,PIDadjustment,master－slaversupervisorynetwork

目录

摘要I

ABSTRACTII

1引言1

1.1模糊控制理论的产生及发展概况1

1.2模糊控制的概念和特点2

1.3模糊控制的进展和展望3

1.4本课题的研究背景和意义4

1.4.1研究背景4

1.4.2研究意义4

1.5本课题的技术要求5

1.6本论文的组织与结构6

2模糊控制系统的原理、设计与性能分析7

2.1模糊控制系统的组成和原理7

2.1.1模糊控制系统的组成7

2.1.2模糊控制的基本原理7

2.2模糊控制系统设计和分析8

2.2.1模糊控制器的结构设计8

2.2.2基本模糊控制器的设计9

2.2.3论域、量化因子和比例因子对系统控制性能的影响12

2.2.5模糊控制规则的选取15

2.2.6采样时间的选择16

2.3小结17

3模糊控制系统稳定性能的改善18

3.1模糊—PID复合控制18

3.1.1模糊—PID复合控制仿真分析19

3.1自调整规则因子模糊控制方法22

3.1.1控制规则的解析描述22

3.1.2模糊控制规则的自调整方法分析与仿真23

3.2.3带自调整因子的模糊控制方法与控制性能分析26

3.2小结

28

4模糊控制技术在智能输液系统中的应用29

4.1系统的总体设计方案及工作原理29

4.1.1硬件总体设计29

4.1.2软件总体设计30

4.2下位机硬件原理与实现30

4.2.1单片机资源及其分配31

4.2.2参数的采集与处理32

4.2.3步进电机的驱动34

4.3电平转换电路37

4.3.1RS-232C/RS-485转换电路37

4.3.2TTL／RS-485转换电路37

4.3.3数据传送格式38

4.4下位机软件系统及其分析38

4.4.1下位机主程序38

4.4.2串行口中断接收/发送程序39

4.4.3初始化程序39

4.4.3.2串口初始化39

4.4.4输液速度模糊控制的实现40

4.4.5模糊控制器程序45

4.5上位机应用软件设计48

4.5.1上位机与下位机串行通信协议48

4.5.2上位机串口通信程序的开发50

4.5.3上位机软件界面设计53

4.6系统调试54

4.6.1连接仿真器的单一模块调试54

4.7系统测试结果55

4.7.2系统控制效果的测试56

4.7.3报警信号输出测试56

致谢58

参考文献59

1引言

实现控制的智能化是目前世界上各国计算机、人工智能、自动化领域中比较受关注的课题，其中模糊控制、专家系统控制、神经网络控制和以上三种控制以及其它控制方法的集成控制是实现智能控制的主要方法。

1980年以后，智能控制的研究速度迅速加快，其应用的范围和领域的研究发展到除工业过程以外的多个领域，包括军事、日常家电甚至是航天等高科技领域。

就现在而言，模式识别、专家系统、信号处理系统控制是人工智能控制技术应用比较广泛的方面[1、2、3、4]。

1.1模糊控制理论的产生及发展概况

伴随着科学技术迅速发展，每个领域对自动控制系统的精度、响应的速度、系统的稳定性、自适应的能力要求越来越高，要求所研究的系统也越来越复杂多变了。

然而，在很多情况下建立被控对象的精确数学模型就会变得很困难。

比如，有些对象的研究很难用一般的物理和化学方面的规律来描述，影响的因素有很多，而且更甚者相互之间又相互渗透交叉，使其模型变的十分复杂，很难得到正确的解答。

还有一些情况是在生产过程缺乏精确的测试手段，或者测试装置进入不了被测试区域，导致过程数学模型不能建立。

像建材工业中生产中的回转窖，轻工生产中的造纸过程等等，还有不计其数的炉类。

诸如此类的过程牵涉变量多，被控的对象或过程呈现非线性、时变性、强耦合、较大的随机干扰，过程机理错综复杂，被控对象的精确数学模型也难以建立了，甚至建立不了。

这样，这类对象或者过程就很难实现自动控制。

虽然常规的自适应控制技术能够解决一些常见的问题，但范围却很有限。

美国加利福尼亚大学控制论专家L.A.Zadeh教授在1965年提出的《Fuzzy Set》开创了模糊数学的历史[5]，吸引了众多的学者对其进行研究，使其理论和方法日益完善，并且广泛的应用于自然科学和社会科学的各个领域，尤其是第五代计算机的研制和知识工程开发等领域占有特殊重要的地位[6]。

把模糊逻辑应用于控制领域则始于1973年[7]。

1974年英国的E.H.Mamdani成功地将模糊控制应用于锅炉和蒸汽机的控制。

此后20年来，模糊控制不断发展并在许多领域中得到成功应用[8]。

由于模糊逻辑本身提供了由专家构造语言信息并将其转化为控制策略的一种体系理论方法，因而能够解决许多复杂而无法建立精确数学模型系统的控制问题，所以它是处理推理系统和控制系统中不精确和不确定性的一种有效方法。

从广义上讲，模糊控制是基于模糊推理，模仿人的思维方式，对难以建立精确数学模型的对象实施的一种控制策略。

它是模糊数学同控制理论相结合的产物，同时也是只能控制的重要组成部分。

随着控制技术的不断发展，高抗干扰、高灵敏度的自动控制技术越来越受到社会的广泛关注。

尤其是在温度控制领域，一方面，经典的PID控制器以其高稳定性、高可靠性、结构简单、调整方便等优点而得到最广泛的使用。

另一方面，由于模糊控制技术不需要对象的精确模型，对参数漂移的鲁棒性强，因此越来越受人瞩目。

1975年以后，产生了许多模糊理论应用的例子。

其中比较典型的有：

热交换过程的控制、暖水工厂的控制，污水处理过程控制、交通路口控制、水泥窑的控制、飞船飞行控制、机器人控制、汽车速度控制、水质净化控制、电梯控制以及家电产品的控制[9]，并且生产出了专用的模糊芯片和模糊计算机。

从1979年开始，我国也开展了模糊控制理论及其应用方面的研究工作[10]。

至今，世界上研究“模糊”的学者已超过万人，发表的重要论文5000多篇，研究范围从单纯的模糊数学到模糊理论应用，模糊系统及其硬件集成。

与知识工程和控制方面有关的研究有：

模糊建模理论、模糊序列、模糊识别、模糊知识库、模糊语言规则、模糊近似推理等[10]。

最近几年，对于经典模糊控制系统稳态性能的改善，模糊集成控制、模糊自适应控制、专家模糊控制与多变量模糊控制的研究，特别是针对复杂系统的自学习与参数或规则自调整模糊系统方面的研究，尤其受到各国学者的重视。

目前，将神经网络和模糊控制技术相互结合，取长补短，形成一种模糊神经网络技术，由此可以组成一组更接近于人脑的智能信息处理系统，其发展前景十分诱人[11]。

1.2模糊控制的概念和特点

模糊控制（Fuzzycontrol）是指模糊理论在控制技术上的应用。

它用语言变量代替数学变量或两者结合应用；用模糊条件语句来刻画变量间的函数关系；用模糊算法来刻画复杂关系，是具有模拟人类学习和自适应能力的控制系统。

模糊控制技术适用于被控过程没有数学模型或很难建立数学模型的工业过程，这些参数变动，时变，呈现极强的非线性特征。

模糊控制不需要精确的数学模型，是解决不确定性线系统控制的一种有效途径。

与常规的控制系统相比较，模糊控制系统的主要特点是：

模糊控制系统可以解决复杂系统的控制问题。

当系统为多输入多输出、强非线性，时变及滞后系统时，系统的数学模型非常复杂或根本就不存在，不能用常规控制方法控制系统。

模糊控制建立在对过程的语言型经验之上，不需要精确的数学模型[12]。

模糊控制系统中的控制逻辑更加接近于人类思维。

在很多工业控制中，熟练工人对系统控制的经验可直接用于控制器中。

常规控制方法中干扰或参数的变动可能会引起整个系统工作不正常。

在模糊控制中由于采用了模糊集概念和模糊联接，干扰和参数的变化对控制效果影响非常小[13]。

1.3模糊控制的进展和展望

模糊控制理论是控制领域中非常有前途的一个分支,在工程上也取得了很多成功的应用。

1974 年, E.H.Mamdani 首次将模糊控制理论应用于蒸汽机和锅炉的控制,取得了满意的控制效果; 随后,J.J.Oster2garad 又将模糊控制成功地应用于热交换器和水泥窖的生产;之后,M. Sugeno 又将模糊控制用于汽车控制,取得了很好的控制效果。

另外,模糊控制也应用于航天飞行器控制、机器人控制、核反应堆控制、热交换过程控制、异步电动机控制、污水处理、肌肉麻醉控制、病人血压调整、电梯群控制、吊车自动控制等系统中。

虽然模糊控制技术的应用已经很广泛了，但是其本身还存在一些问题需要解决。

大体来说，在模糊控制理论和应用方面应加强研究的主要课题有：

（1）适合于解决工程上普遍问题的稳定性分析方法、稳定性评价体系，控制器的鲁棒性分析，系统的可控性分析和可观测性分析。

（2）模糊控制规则设计方法的研究，包括模糊集合隶属函数设定方法，量化水平，采样周期的最优选择，规则的系数，最小实现以及规则和隶属函数参数自动生成等问题，以进一步给出模糊控制器的系统化设计方法。

（3）模糊控制在非线性复杂系统中的模糊建模、模糊规则的建立和推理算法的深入研究。

（4）模糊控制器最优调整理论的确定以及修正推理规则的学习方式和推理算法等。

（5）常规模糊控制系统稳态性能的改善。

（6）模糊动态模型的辨识别方法。

（7）模糊预测系统的设计方法和提高计算速度的方法。

（8）神经网络与模糊控制相结合，有望发展一套新的智能控制理论。

（9）模糊控制算法改进的研究。

由于模糊逻辑的范畴很广，包含大量的概念和原则，然而这些概念和原则能真正的在模糊逻辑系统中得到应用的却为数不多。

这方面的尝试有待深入。

在短短的三十多年时间里，模糊控制得到长足的发展。

它的应用领域涉及诸多方面，控制方法也有了很大进展，模糊控制器的性能不断提高。

模糊控制系统易于接受，设计简单、维护方便，而且比常规控制系统稳定性好、鲁棒性高，使得模糊控制正得到越来越广泛的应用[14、15]。

1.4本课题的研究背景和意义

1.4.1研究背景

输液是医院常用的医疗手段，它不仅是一种重要的给药途径，而且还是给患者补充体液、营养的重要方法。

在输液过程中，输液速度是一个很重要的参数，决定输液速度的因素有以下几个方面：

（1）患者年龄：

成年人输液速度常在40-60滴/分，小儿、老年人不宜超过20-40滴/分。

（2）患者病情：

患者病情不同所需输液的速度也是不一样的。

比如患者有心脏或肺部疾患，输液速度宜慢，一般为30-40滴/分，滴速过快就会加重心脏负荷；若患者脱水严重或失血过多引起休克，则要快速补液，以补充血容量。

（3）药物种类：

不同的药物滴速要求也不一样,比如一些渗透性比较高的药物的输液速度宜慢，反之宜快。

（4）综合因素：

如果一位老年脑血管病患者需要输甘露醇，由于他的心脏功能不太好，就要权衡利弊，既要考虑让甘露醇更好发挥疗效，又要考虑患者心脏的耐受程度等情况。

目前在我国的大、中、小型医院及下属社区卫生院、诊所等医疗机构在输液治疗过程中，输液速度的数值都不精确。

输液速度是护士通过转动输液器上的手动滑轮来控制液体流速的，这样不但会影响到预期的治疗效果，而且患者或陪护人员必需要时时监视剩余的药液，药液输完时，护士要及时更换储液瓶或拔除针头，否则会造成静脉回血；有些药物在给药时在给药速度和剂量方面还有特定的要求，甚至要不断调整，而这些调整需要很认真也会很繁琐；也不易及时发现输液异常、输液结束。

1.4.2研究意义

为了提高医疗设备的自动化水平，给护士输液工作提供方便，给输液病人提供可靠的安全保证。

因此本文针对这些问题提出基于红外检测技术并结合模糊控制的方式组成的主从测控网络来实现点滴速度的监控和自动调节。

输液自动测控系统可以实现的功能有：

对每个病床病人的输液情况进行实时监测；对输液过程中的异常状况发出警报；根据护士设定的参数进行自动检测和调节输液速度；输液速度可以通过传输装备发送到护士站并且医护人员可以在护士台进行遥控操作。

这种既具有自动控制又能够遥测遥控还廉价的输液检测系统性能稳定，操作简单，不仅减轻了医护人员的任务，适合于临床普及，具有较高使用价值和经济效益。

1.5本课题的技术要求

本课题的要求是研究与开发一个基于主—从测控网络（要求有32个从站）的有线输液速度自动测控系统。

1、总体要求

（1）要求系统能够满足医院的某一病理科所有住院输液病人输液速度的监视、调节和对储液瓶中剩余的药液进行监视。

（2）输液速度能在20—120（滴/分）范围内连续可调，稳态误差不超过±10%。

（3）输液速度可以传输到护士站，医护人员的控制操作可在护士站遥控进行。

（4）系统必须具有高度可靠性，操作简单、方便。

成本低廉，适合于临床普及。

（5）能实时存储和记录系统运行时的现场数据。

2、从站功能

（1）输液速度控制：

如图1.1所示，通过步进电机拖动改变滴斗至受液瓶底的高度h2来调节输液点滴速度。

（2）输液速度检测：

在滴斗处检测点滴速度，能实现点滴速度（滴/分）的动态显示。

（3）输滴速度可用键盘设定并显示，设定范围为20--120（滴/分），控制误差范围为设定值

1滴。

调整时间不超过3分钟（从改变设定值起到输液滴速度基本稳定，能人工读出数据为止）。

（4）当储液瓶液位高度h1降低到警戒值（2-3cm）时，能发出报警信号。

（5）能向主机输出本从站号、输液速度、报警信号和病人请求服务信号。

（6）接收主机设定的输液速度信息并显示。

（7）对异常情况（如针头堵塞、药液滴完等）进行可靠的报警。

3、主站功能：

（1）具有定点和巡回检测从机工作状况两种工作方式。

（2）可显示从站传输过来的从站号、从站输液速度和报警信号等信息。

（3）在巡回检测时，主站能任意设定要查询的从站数量、从站号、输液速度和报警信号。

（4）收到从站发来的报警信号后，能声光报警并显示相应的从站号；可用手动方式解除报警状态。

1.6本论文的组织与结构

第一章绪论本章介绍了模糊控制理论的产生、发展和模糊控制的概念和特点。

叙述了近年来，国内外模糊控制技术的进展，展望了今后一段时间模糊控制技术的发展。

第二章模糊控制系统的原理、设计与性能分析这一章详细论述了模糊控制系统组成、基本原理和基本模糊控制器的设计方法。

第三章模糊控制系统稳态性能的改善本章讨论了复合模糊控制和自调整规则因子自适应模糊控制器的设计方法，使模糊控制器具有自学习、自适应能力。

仿真分析表明这些方法都能有效的改善模糊控制系统的稳态性能，显著的提高控制质量。

第四章模糊控制技术在智能输液系统中的应用本章研究了系统参数的采集与处理、步进电机的驱动与系统液位报警、模糊控制算法、PID控制算法在系统中的实现，最后给出了基于RS-485总线串行通信的输液速度主从分布式自动测控网络的软、硬件设计方案。

2模糊控制系统的原理、设计与性能分析

二十世纪七十年代Zandeh教授提出模糊集合的概念，由此开创了模糊数学及应用的新纪元［22］。

模糊控制是模糊集合理论应用中的一个重要方面，是以模糊集合化、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。

从线性控制与非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线性控制；从控制器的智能性看，模糊控制属于智能控制的范畴，本章论述模糊控制系统的组成、模糊控制的基本原理和基本模糊控制器的设计。

2.1模糊控制系统的组成和原理

2.1.1模糊控制系统的组成

模糊控制属于计算机数字控制的一种形式，因此，模糊控制系统的组成类似于一般的数字控制系统，其结构如图2.1所示：

图2.1模糊控制器系统框图

模糊控制系统一般可分为五个组成部分,其中包括模糊控制器、输入/输出接口、执行机构、被控对象和传感器。

2.1.2模糊控制的基本原理

模糊控制的基本原理如图2.2所示，它的核心部分为模糊控制器，如图中虚线框中部分所示。

模糊控制器的控制规则由计算机的程序实现，微机通过采样获取被控制量的精确值，然后将此值与给定值比较得到误差信号E（在此取误差反馈）。

一般误差信号E作为模糊控制器的输入量。

把误差信号E的精确量进行模糊化变成模糊量，误差E的模糊量可用相应的模糊语言表示。

至此，得