生物医学循环系统的Petri网分析与实时控制

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1991.05.012 北京科技大学学报 第13卷第5期(I) Vo1.13No.5(I) 1991年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sept,1991 生物医学循环系统的 Petri网分析与实时控制 杨扬·孙荣· 摘要：用Petri网方法对一个生物医学循环系统进行分析，详细描述了循环系统的各 个状态及转移关系，并给出了Pcti网分析离散事件系统的步骤与方法，最后通过微机对系 统进行实时控制。 关键词：Petri网，离散事件，生物医学循环系统 Petri Net Analysis of A Biomedical Circulatory System and Its Real-time Control Yang Yang'Sun Rong' ABSTRACT:A biomedical circulatory system is thoroughly analysed by means of Petri method,Then the states and methods for analysing this discrete event system are presented,In the end,a biomedical circulatory real time control system is implemented on a micro-computer. KEY WORDS:Petri net,discrete event,biomedical engineering,circulatory system 用Petril网络图方法分析离散事件动态系统(DEDS)是当前控制领域的重要课题。由于 Ptri网具有形象性、层次性等特点，并能表达系统的状态转移，因此可以使一些复杂的状态 及转移关系在图中清楚地表示出来，然后对系统进行分析、仿真与实时控制1~4)。本文所 述的生物医学循环系统是北京科技大学机器人研究所与积水谭医院合作研究设计的肢体外循 环系统，目的是为保存肢体或器官。 1990-一06一18收稿 ·机器人研究所(Research Institute of Industrial Robots in USTB) 472

第 1 3卷第 。 期 ( x ) 北 京 科 技 大 学 学 报 v o x . 1 3 N o . 。 ( I ) i 。。 1年 。 月 J o u r n a l o f U n i v e r s i t y o f S e i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e i j i n g s e P t . 1 09 1 生物医学循环 系统的 P e tr i 网分析与实时控制 杨 扬 ’ 孙 荣 ’ 摘 要 : 用 P e t r i 网方 法对一个生物医学循环系统 进行分析 , 详细描述 了 循森统 的各 个状态及转移关 系 , 并给 出了 P et ir 网分 析离散事件系统 的步骤 与方 法 , 最后 通过微机对系 统 进行实时控制 。 关键词 : P e t r i 网 , 离散 事件 , 生 物医学 循环系统 P e t r i N e t A n a l y s i s o f A B i o m e d i e a l C i r e u l a t o r y S y s t e m a n d I t s R e a l 一 t i m e C o n t r o l Y a n g Y a n g . S u n R o n g , A B S T R A C T : A b i o m e d i e a l e s r e u l a t o r y s y s t e m 1 5 t h o r o u g h l y a n a l y s e d b y m e a n s o f P e t r i m e t h o d . T h e n t h e s t a t e s a n d m e t h o d s f o r a n a l y s i n g t h i s d i s e r e t e e v e n t s y s t e m a r e p r e s e n t e d . I n t h e e n d , a b i o m e d i e a l e i r e u l a t o r y r e a l t i m e e o n t r o l s y s t e m 1 5 i m P l e m e n t e d o n a m i e r o 一 e o m P u t e r 。 K E Y W O RD S : P e t r i n e t , d i s e r e t e e v e n 七 , b i o m e d i e a l e n g i n e e r i n g , e i r e u l a t o r y s y s t e m 用 P o tr i 网络图 方法分析离散事件动态 系统 ( D E D )S 是 当前控制领域 的重 要 课 题 。 由 于 P e tr i网 具有形象性 、 层次性 等 特点 , 并能 表达 系统 的状 态转移 , 因此 可以使一些 复杂 的状 态 及转移关 系在图中清楚地表 示出来 , 然后 对 系统进 行分析 、 仿真与 实 时控制 〔 ` 一 4 ’ 。 本 文 所 述 的生物医学循 环 系统是北京科 技大学机 器 人研 究所 与积 水潭 医院合 作研究设 计的肢 体外循 环系统 , 目的是 为保存肢 体或器官 。 1 9 9 0一 0 6一 1 8收稿 . 机器人研究所 ( R e s e a r e h I n s t i t u t e o f I n d u s t r i : 1 R o b o t s i n U S T B ) 47 2 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1991. 05. 012

1肢体外循环控制机构 肢体外循环控制机构用于对离体肢体或器官进行模拟生态的控制，对离体肢体或器官进 行动态的灌流液循环，通过对各个参数（温度、动静脉压差、氧气及二氧化碳气的浓度等） 的控制，达到存活的目的。控制中心部分由微机担任，在本文中主要考虑在灌流液体循环中 的顺序控制。 肢体外循环控制机构由三个储液仓YA、YB、YC(用于储存循环的液体)和一个放置肢 体的观察仓构成。通过控制电磁阀使储液仓之间造成一定的压差，并使液体在储液仓相互替 代下进行连续的流动。 循环开始时，YA与YB储满液体，YC为空仓。首先了A中的液体在模拟的动静脉压差作 用下向YC流动，此时YB为备用仓。当YA液体低于某一液面后，由光电开关发出信号，使 YA与YB进行切换，然后准备进行下一轮YB与YA的循环。依此规律，构成整个系统的连续 循环。 2 循环系统的状态描述与计算机控制 用Ptri网方法描述系统状态及转移关系是分析离散事件系统运行过程的一种有效方法。 下面用此方法对肢体外循环系统进行状态描述。 定义1： h:,b,(i=A、B、C)为3个储液仓的上、下液面检测值。 它们满足： 1 上液面有液体 1 下液面有液体 h,= b= 0 上液面无液体 0 下液面无液体 定义2： 上、下液面的逻辑值为R.:=R。:=1R4:=R。:=0 (i=A、B、C) 当动静脉压差确定后，上、下液面值的状态随时间变化如下： t f2 ta fu hA 1 1*0 0 0 0 0 0 0+1 1 bA 1 1+0 0 0+1 1 hs 1 1 1 1 1 10 0 0 0 ba 1 1 1 1 1+0 0 he 0 0 0*1 1 1 be 0 0*1 1 1 1 1 设： 在目前特定的控制机构中，初始状态ta时刻与h4、b4对应的YA为流出仓，与 h、bm对应的YB为备用仓，与hc、bc对应的YC为流入仓。其中，YA.YB为储满仓，YC为空 仓 表中，1→0或0→1表示液体流动时在某一瞬间t的状态转换过程。从表中可以看出，当 液体开始循环后，to一t:时刻为YA到YC的循环，当b.由1变为0时，系统由YA至YC循环切 换为YB至YC循环。经过-一段稳定的循环，当备用仓YB的上液面检测值h.由1变为0时，系 473

1 肢体外循环睦制机构 肢 体外循环控制机 构用于 对离 体肢 体或器官进 行模拟 生 态 的控 制 , 对 离体肢 体或器官进 行动态 的灌流 液循环 , 通过对各个 参数 ( 温度 、 动静脉 压差 、 氧 气 及二 氧化碳气 的浓度等 ) 的控制 , 达到存活的 目的 。 控制中心部分 由微机担任 , 在本文 中主要考虑 在灌流液体循 环中 的顺序控制 。 肢体外循 环控制机构由三个储液仓 Y A 、 Y B 、 Y C ( 用于储存循 环的液 体 ) 和 一 个放 置 肢 体的观察仓 构成 。 通过控制 电磁阀 使储液 仓之 间造 成一 定的压 差 , 并 使液体在储液仓相 互替 代下 进行连续的流动 。 循环开 始时 , Y A 与 Y B 储满液 体 , Y C 为空仓 。 首 先 Y A 中的 液体在模拟 的动静脉 压差作 用下 向 Y C流 动 , 此 时Y B 为备 用仓 。 当 Y A 液 体低于 某 一液面后 , 由 光电开关发 出 信 号 , 使 Y A 与 Y B 进行切换 , 然后准备 进行下 一轮 Y B与 Y A 的循 环 。 依此规律 , 构成整个 系统 的连续 循环 。 2 循环系统 的状态描述与计算机控 制 用 P e tr i网方 法描述 系统 状态及 转移关 系是分析 离散事件 系统 运 行过程的一种 有效 方法 。 下面用此 方法 对肢体外循环 系统 进 行状 态描述 。 定 义 1 : 石 ` , b ` i( = A 、 B 、 C ) 为 3个储液 仓 的上 、 下液面检测值 。 它 们满足 : { 1 h ` = { 气0 上液 面有 液体 b 上液面无液体 { ` 气0 下 液 面有 液体 下液 面无液 体 定义 2 : 上 、 下 液面 的逻辑值为 R , ` = R 。 , = I R 、 ` = R 。 ` = 0 ( i = A 、 B 、 C ) 当动静脉压 差确 定后 , 上 、 下液面值的状态随 时间 变化 如下 : 一 一一一 t o t i t Z t 一一一一一 : 1 冲 0 0 , 1 1 咔 0 1 1 1 1 1 1 0 , 1 1 ~ 0 1 0 0 0 1 1 ~ 0 0 1 0 0 净 1 1 1 1 1 1 101 0 0~ 1 1 1 1 1 1 1 1 才孟CBC . 八`合 `九, 0 . h 口 n 一 暇 解 . 那. , 困 . . 记 . 二二 . , 一 一 ~ 一 亡 一一 二 ` ~ , = 国= , 星 , . . . . . . . . . . . . . . . . . . 设 : 在 目前 特定 的控制 机构 中 , 初始 状态 t 。 时刻与 h , 、 b , 对应 的 Y A 为 流 出 仓 , 与 h , 、 b , 对应的 Y B为备 用仓 , 与 h 。 、 6 。 对 应 的 Y C 为流人仓 。 其 中 , Y A 。 Y B为储满 仓 , Y C 为空 仓 。 表中 , 1、 0或。 、 1表示液体流动 时在某一瞬 间t 的 状态 转换过程 。 从 表 中可以 看 出 , 当 液体开始循环后 , t 。一 t : 时刻 为 Y A 到 Y C 的循环 , 当b 月 由 1 变 为。时 , 系统 由Y 人至 Y C循 环切 换为Y B至Y C 循 环 。 经过一段稳定 的循 环 , 当备 用仓 Y B 的上液面检测值h , 由1 变为 0 时 , 系 4 7 3

统进入下一个YB至YA对的循环(t4一t,时刻)。最后，经过YC至YB对的循环，系统又回到 YA至YC对的循环。如此下去，构成系统的连续循环。 根据上表，可得到状态转移的余件，并由此得出系统准备工作与运行时的Petri网。 系统的准备工作是对控制机构中的储液仓、管道、观察仓进行消毒，加液；对动静脉压 差、液体温度、液体内氧气及二氧化碳气含量等参数进行调节的过程。Petri网如（图1）所 示n 0初始状态 1抽真空 2环氧乙烷消毒 3加人高压氧 4抽真空 5储液仓加液体 6 参数调节状态 若转移关系满足逻辑关系，t,4=1时转移至下一状态，否则运行于当前状态。 首先，定义： 1 t>tu 1 n>N T (1>t)= C(n>N)= 0t<ta:i=(1,2..) 10 n<N (1h:>h H:(h,>ha)= L0 h:<ha (i=A、B) ta、N、h:为系统给定值，ta,为时间；N为次数；hu为液面高度。 因此，图1转移动条件如下： t,1=启动信号t,3=T(t>ta1):f,3=T(t>t:2):t,4=T(t>t4) t,s=C(n>N);t,B=H4(h4>hu);Ha(hB>ha);t,7=谁备工作结束。 12 11 9 14 10 16 ⑤ fi'tn 17 t:.fp 图1系统进入循环快态 图2循环状况 Fig.1 The system enters the status Fig.2 The system is in circulation of circulation 图1中，快态6是指对系统进行静态参数的微机控制，这里的参数是指在前节中提到的灌 流液的温度、动静脉压差及氧气、二氧化碳气等参数的控制。 当工作准备结束后，t,7=1,此时系统进入循环状态。 474

统 进人下 一个 Y B 至 Y A 对 的循环 ( t 、 一 t 7 时刻 ) 。 最 后 , 经 过 Y C 至 Y B 对 的循环 , 系统 又回 到 Y A 至 Y C 对 的循环 。 如 此下去 , 构成 系统 的连 续 循环 。 根据 上 表 , 可得 到状 态转移 的条 件 , 并由此得 出 系统准 备工 作 与运 行时 的 P e tr i 网 。 系统 的准备 工 作是 对控制机 构 中的储液仓 、 管道 、 观察仓 进行 消毒 , 加 液 ; 对动 静脉 压 差 、 液体 温度 、 液体内氧气及二氧 化碳 气含 量等参 数进 行调 节 的过程 。 eP tr i 网如 ( 图1) 所 不 。 初始 状 态 抽 真空 寸由真空 储液仓 加 液体 环氧 乙烷 消毒 参 数调节 状 态 3 加 入高压氧 若转移 关 系满 足逻辑关 系 , t r , 二 1时转移至下 一 状态 , 否则运 行于 当前状 态 。 首 先 , 定 义 : _ 阵 T ( ` > t 、 、 ) = } 叨 > t 、 ` t < t J ` 二 ( 1 , 2 。 。 。 C ` ” > 万 , = { 儿 > N 趁 < N 厂1 H ` ( h ` > h ` ) = } 从O > 人 、 < h ` ( f = A 、 B ) t d ; 、 N 、 h ` 为系统给定值 , t ` , 为 时间 ; 因此 , 图 1转移动条 件如下 : t r , = 启动信号 t , : = T ( t > t J I ) ; t , 5 = C ( n > N ) ; t r 6 = H , ( h , > 人 ` ) ; N 为次数 ; h ` 为液 面 高度 。 t r : = T ( t > t ` 。 ) ; t , ` = T ( t > t ` ) 万 。 ( h B > 入 J ) ; t r 7 二 准备工作 结束 。 图 1 系统 进入循环 状态 图 2 循环 状况 F 19 . 1 T h e s y s t e m e n t e r s t h e s t a t u s F i g . 2 T h e s y s t e m 1 5 i n e i r e u l a t i o n o f e i r e u l a t i o n 图 1中 , 状态 6是 指对 系统进 行静 态参 数的微 机控制 , 这里 的参数是 指在前节 中提 到 的灌 流 液的温 度 、 动静脉 压 差及氧 气 、 二氧 化碳 气等参数的控 制 。 当工作淮 备结 束后 , t r 7 = 1 , 此 时系统 进人 循环状态 。 4 7 4

根据前面所述规定，首先由YA、YC对构成循环，Petri网如图2。 图中的状态如下： 7 E(YA、YC、1) 8检测液面并保持上一状态 E(YB、YC、1) 10E(YB、YC、2) 11E(YB、YA、1) 12E(YC、YA、1) 13E(YC、YA,2) 14E(YC、YB、1) 15E(YA、YB、1) 16E(YA、YB、2)17报警 上面，E(X、Y、)表示系统中液体流动时的状态，其中X为流出液体的储液仓，Y为流 入液体的储液仓，i=1时为稳定循环状态，i=2时为准备切换状态。在图中考虑的是系统正 常运行时的状态网，在运行时系统出现故障或在正常循环结束时，系统可从任何一个状态回 到起始状态0。 图2中的转移条件如下： t,8=T(t>tu)tr=Ro1 t10=T(t>t4s)t,11=RA2 1,12=Rs2 t,13=T(t>ta5)t,14=Rw3t,15=Rb3t,ia=T(T>t45)t,17=Rw1 t,18=返回指令t,。=切换准备，谁备完成时t,p=1 根据以上分析结果，可用微机对上面所述的循环系统进行实时控制。准备阶段是根据所 给的数值，对系统做消辞、调节等工作。当准备工作结束后，系统进入实时控制阶段。液面 检测的光电开关信号由计算机接口MS-4202光隔离开关量输入输出板输入到计算机，经过条 件判定后（诸如时间、光电信号等），发出打开相应电磁阀的指令，由MS-4204板经继电器 控制打开或关上电磁阀，此时系统进行顺序控制。每次电磁阀关闭后，系统进入上面所述的 状态。 3 结 论 用Petri网对系统的各个状态及转移关系进行了详细的描述，并给出了Petri网分析肢体 外循环系统的步骤与方法，在此基础上，设计了系统的程序框图。主程序除了完成参数设置 与结果的显示、打印等工作外，主要进行系统的循环控制。系统开始正常循环后，利用分时 调用各个调节子程序对各个参数进行调节，使之满足系统的给定要求。该系统程序采用C语 言编写，并经实际运行达到了对离散事件系统进行实时控制的效果。 参考文献 1 Brams G W.Reseaux de Petri,Theorie et Pratique Masson,Paris:1983 2 Peterson J L.Petri Net Theory and The Modelling of Systems,Prentice- Hall Inc:1981 3 Ph,CHRETIIENE Les reseaux de Petri temporises,These d'Etat,Univer- site Pierre et Marie Curie Paris,1983 4王文学。控制与决策，1990，(1)：12 475

根据前面 所述规定 , 首先 由Y A 、 Y C 对构成循 环 , eP tr i 网如 图2 。 图 中的状态如下 : 7 E ( Y A 、 Y C 、 1) 8 检侧液 面并保持上一状态 g E ( Y B 、 Y C 、 1) 1 0 E ( Y B 、 Y C 、 2 ) 1 1 E ( Y B 、 Y A 、 1 ) 12 E ( Y C 、 Y A 、 1 ) 1 3 E ( Y C 、 Y A 、 2 ) 1 4 E ( Y C 、 Y B 、 1 ) 1 5 E ( Y A 、 Y B 、 1 ) 1 6 E ( Y A 、 Y B 、 2 ) 1 了 报警 上面 , E ( X 、 Y 、 i) 表示系统中液体流动 时的状态 , 其中X 为 流出液体的储液仓 , Y 为流 人液体的储液仓 , ` 二 1时为稳定 循 环状态 , i 二 2时为准备切 换状态 。 在 图 中考虑的是系 统正 常运行时的状态 网 , 在运行时 系统 出现故障或在正常 循环 结束 时 , 系统可从任 何一个状态回 到起始状态 0 。 图 2 中的转移条 件如 下 : r a 二 T ( t > t ` ; ) t r 。 = R ` 1 t r l o = T ( t > 才` 5 ) t , 1 1 = R * 2 t r i Z = R ` : t , 一 3 = t , 1 ; = R * : t , : 。 = R 。 3 t r , 。 = T ( T > t ` 。 ) t r 1 7 = R * , t , 1 5 = T ( t > 才` 5 ) 返回 指令 t r , 二 切换准备 , 准备完成 时 t r , = l 根据 以上分析结 果 , 可用 微机对上面 所述 的循 环 系统进行实时控 制 。 准备阶段是根据所 给的数值 , 对系统 做消 毒 、 调 节等工 作 。 当准备 工 作结束后 , 系统进人实时控制阶段 。 液面 检侧 的光 电开关 信号 由计 算机 接 口 M S 一 4 2 0 2光 隔离开关量输入输 出板 输入到 计算机 , 经过条 件判定后 ( 诸如 时间 、 光 电信号 等 ) , 发 出打开相应 电磁 阀的指令 , 由M S 一 4 2 0 4板经继电器 控制打开 或关 上电磁阀 , 此 时系统进行顺序控制 。 每次电磁阀关 闭后 , 系统进人 上面所述 的 状态 。 3 结 论 用P e tr i网对 系统 的各 个状态及 转移关系进行 了详 细 的描述 , 并给 出了 P e tr i网分析 肢 体 外循 · 环系统的 步骤与 方法 , 在此基础上 , 设计了系统 的程序框 图 。 主程序除了完成参数设 置 与结 果 的显示 、 打印等工作 外 , 主要进行 系统的循环控 制 。 系统 开始正常 循 环后 , 利用分时 调用各个调 节子程序对各个参数进行调节 , 使之满足 系统 的给定要求 。 该系统程序采 用 C 语 言编写 , 并经实 际运行 达到 了对离散 事件系统进 行实时控制的效果 。 参 考 文 献 B r a 皿 5 G W 。 R e s e a u x d e P e t r i 。 T h e o r i e e t P r a t i q u e M a s s o n , P a r i s : 1 9 8 3 P e t e r s o n J L . P e t r i N e t T h e o r y a n d T h e M o d e l li n g o f S y s t e m s , P r e n t i e e - H a ll I n e : 1 9 8 1 P h . C H R E T l l E N E L e s r e s e a u x d e P e t r i t e m p o r i s e s , T h e s e d l E t a t . U n i v e r - s i t e P i e r r e e t M a r i e C u r i e P a r i s , 1 9 8 3 王文 学 。 控制 与决 策 , 1 9 9 0 , ( 1 ) : 12 4 7 5