模糊PID控制在热疗仪流速控制中的应用研究

摘要

近年来，恶性肿瘤是严重威胁人类健康的主要原因，如何有效地治疗癌症成为人类研究的难题。目前，治疗癌症的方式主要有放疗、化疗以及热疗。热疗仪是热疗的一种仪器，主要通过计算机控制灌注流速来实现治疗。由于人体组织比较精细，特别是在肿瘤组织侵蚀的情况下，对体腔的灌注速度不能太大也不能太小，太大会损伤人体的正常组织，太小则对癌性积液起不到冲刷作用。因此，如何提高流速的控制精度是热疗仪研究的重点。
　　传统的自动控制主要依靠精确的数学模型来实现控制，而模糊控制作为智能控制理论的一种，主要依据人的思维，以及在相关专家知识和现场操作人员经验的基础上实现控制。模糊控制具有动态特性好、超调量小以及很强的参数适应能力等优点，但也存在控制精度不够高、易产生静差和稳态特性较低的缺点。而PID控制结构简单，控制效果较为稳定，并能够消除稳态误差，且具有较低的静差，但其动态特性不好，在控制过程中容易产生较高的超调量。
　　为了克服上述两种控制算法的不足，本文将两者结合起来，设计出模糊PID控制算法。在控制过程中采用切换的方法，在误差相对值较大时，采用模糊控制;在误差相对值较小时，采用PID控制，实现对模糊控制和PID控制的优势互补，保证系统具有较好的控制效果。
　　首先，本文研究了模糊控制和PID控制的一些基本理论，介绍了两种算法的原理和特性，同时分析了两者的优点和不足。其次，提出了模糊PID控制算法，在建立了系统传递函数的基础上，分别对模糊控制和PID控制系统详细设计并建模。然后，针对影响模糊控制和PID控制的参数进行优化和选择，根据仿真结果选择最佳参数，且在多组实验的基础上确定模糊PID控制系统的最佳切分点，并通过仿真验证了模糊PID控制算法的优势。最后，利用组态软件和PLC通讯的方式实现热疗仪流速的实时控制，并进一步验证了所提出算法良好的控制品质。实验结果表明:将模糊PID控制算法应用于热疗仪的流速控制中，不仅保证了系统具有较好的动态特性，也在一定程度上提高了系统的控制精度，使流速的控制更加精细，同时系统稳定性能也比较好，该算法完全优于模糊控制和PID控制算法。

目录

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 热疗仪的国内外研究现状

1．2．2 模糊控制和PID控制的国内外研究现状

1．3 课题研究内容及文章组织结构

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 本文组织结构

1．4 本章小结

2 模糊控制算法和PID控制算法

2．1 模糊控制算法

2．1．1 模糊控制概述

2．1．2 模糊控制系统的组成

2．1．3 模糊控制的原理

2．1．4 隶属度函数

2．2 PID控制算法

2．2．1 PID概述

2．2．2 PID控制原理

2．2．3 数字PID控制算法

2．2．4 PID控制的调节规律

2．2．5 PID控制的参数整定方法

2．3 本章小结

3 模糊PID控制系统的设计与模型建立

3．1 模糊PID控制系统的设计思想

3．2 模糊PID控制系统的数学模型

3．2．1 步进电机数学模型的建立

3．2．2 步进电机参数

3．3 模糊控制系统的建模

3．3．1 模糊控制器的设计

3．3．2 模糊控制系统模型的建立

3．4 PID控制系统的建模

3．5 模糊PID控制系统的建模

3．6 本章小结

4 模糊PID控制系统的参数选择与仿真

4．1 模糊控制系统的参数选择及仿真

4．1．1 隶属度函数的优化与选择

4．1．2 量化因子和比例因子的调整

4．1．3 模糊控制系统仿真

4．2 PID控制系统的参数选择及仿真

4．2．1 PID控制系统的参数调整

4．2．2 PID控制系统仿真

4．3 模糊PID控制切分点的划分

4．3．1 确定切分点

4．3．2 验证切分点10％的优势

4．4 模糊PID控制系统仿真

4．5 仿真结果分析

4．6 本章小结

5 系统设计与实现

5．1 系统工作原理

5．2 组态王

5．2．1 组态王概述

5．2．2 组态王组成

5．2．3 组态王系统设计过程

5．3 组态王与下位机的通讯

5．3．1 PLC设备的连接

5．3．2 变量的定义

5．3．3 通讯设置

5．3．4 编写事件命令语言

5．3．5 报警功能

5．3．6 动态画面

5．3．7 实时曲线

5．3．8 热疗仪实物

5．3．9 结果分析

5．4 本章小结

6 结论

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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