自寻优Fuzzy控制在肢体外循环系统中的应用

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1994.01.016 第16卷第1期 北京科技大学学报 Vol.16 No.1 19942 Journal of University of Science and Technology Beijing fb.1994 自寻优Fuzy控制在肢体外循环系统中的应用* 杨扬付怡琳孙荣李春寿 北京科技大学机器人研究所，北京100083 摘要设计了一种带预测参数的在线自寻优F☒y控制器，用于解决生物医学循环系统中存在的 慢时变非线性等问题，对系统中温度、pH值、压力等参数进行控制，取得了很好的效果， 关键词系统辩识，控制/生物医学，循环系统，模糊控制 中图分类号TP273,R318.1 Application of Self-Optimization Fuzzy Control to a Biomedical Circulatory System YangYang Fu Yilin Sun Rong Li Chunshou Research Institute of Industrial Robots,USTB,Bejing 100083,PRC ABSTRACT A on-line self-optimization fuzzy controller with prediction parameters is designed for resolving the control problem of system with time-varying parameters nonlinear property.Good result is achived in controlling various parameters,such as temperature, pH value and pressure,of a biomedical circulatory system. KEY WORDS system identification,control biomedicine,circulatory system,fuzzy control 模糊控制方法由于能够利用人类的控制经验，解决用传统方法难以解决的控制问题，因 此得到了广泛的应用.此文中我们针对与北京市积水谭医院合作研究的生物医学工程领域的 肢体离体后的循环系统，使用具有参数自寻优的模糊控制，对系统中温度、pH值、压力等 参数进行控制，取得了很好的控制效果，达到了系统的控制要求· 1 系统的构成与数学模型辩识 系统主要由3个储液仓和1个放置离体肢体的观察仓构成，它的作用是对离体肢体或 器官进行动态保存以达到存活的目的.系统中液体的循环过程和计算机实时控制在文献[3]中 作了较为详细的介绍，本文中主要所涉及的内容是对灌流液体的温度、液体中氧及二氧化碳 含量（用pH值检测）及模拟动、静脉压力.流量等参数的控制.由于系统中这些参数在受控中 互相影响，具有一定的耦合关系·再加上液体受控在低温区，受环境温度影响较为严重· 1993-06-11收稿第一作者男38岁副教授博士 *北京市自然科学基金资助项目

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 功 。 自寻优 控制 在肢体外循环系 统 中的应用 ’ 杨 扬 付 怡琳 孙荣 李春寿 北 京科技大 学机器人研究所 ， 北京 旧 摘要 设计 了一种带预测参数的在线 自寻优 习 控制器 ， 用 于解决生物 医学循环系 统 中存 在 的 慢 时变非线性等 问题 ， 对系 统 中温度 、 值 、 压力等参数进行控制 ， 取得 了很好的效果 关健词 系统辩识 ， 控制 生物 医 学 ， 循环系统 ， 模糊控制 中圈分类号 们陀 ， 而 拙 ” 。 “ 出 】擂 谓 派 ， 月 一 血 一 五乙 】石酬 获对 污 明 习 】 一 吨 ‘ 巧 ， ℃， 拙 ， 皿 。 卫 币以 ， ’ 妞刃 百 ， 代肚 ， 场习 模糊 控制方 法 由于 能够利 用 人类 的控制 经验 ， 解 决用传 统方 法 难 以 解决 的控制 问题 ， 因 此得到 了广泛 的应用 此文 中我们针对 与北 京 市积水谭 医 院合作研究 的生物 医 学工 程领 域的 肢体离体后 的循 环系 统 ， 使用具有参数 自寻优的模糊 控制 ， 对系 统 中温 度 、 值 、 压 力 等 参数进行控制 ， 取得 了很好 的控制效果 ， 达到 了系 统 的控制要 求 系统的构成与数学模型辩识 系 统 主要 由 个储液仓和 个放置 离体肢体 的观察仓构 成 它 的作 用 是 对 离 体肢 体 或 器 官进行 动态保存 以 达到存活 的 目的 系统 中液体 的循 环过程 和 计算机 实 时控制 在 文献 中 作 了较为详细 的介 绍 本文 中主要所 涉及 的 内容 是 对 灌流 液体 的温度 、 液体 中氧及二 氧化碳 含量 用 值检测 及模拟 动 、 静脉 压力 流 量等参数的控 制 由于 系 统 中这些 参数在 受 控 中 互相 影 响 ， 具 有 一 定 的藕 合 关 系 再 加 上 液 体 受 控 在 低 温 区 ， 受 环 境 温 度 影 响 较 为 严 重 卯 一 肠一 收稿 第一作者 男 岁 副教 授 博士 北京 市 自然科学基金 资助 项 目 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1994．01．016

Vol.16 No.1 杨杨等：自寻优Fu四y控制在肢体外循环系统中的应用 .75· 同时，也由于液体的特殊要求不能产生超调，因此造成了控制上的难度，通过对系统的物 理量分析及系统模型辩识，系统具有慢时变非线性及参数之间互相耦合的特点·图1是 对液体加温及降温过程中的开环实验曲线，用具有遗忘因子的最小二乘法对应各曲线的数 据进行离线结构辩识，采样时间为lmi.计算所得结果表明，受控对象是具有2阶以上，延 迟在4~7min的变结构模型，因此对此系统采用传统算法进行控制很难达到要求. (a) (c)I (b) 36 12.2 10 20 (d) ()50 455 37.5 10 10 1520 15”101520 /h 图1液体升温、降温过程的开环实验曲线 Fig.1 Open loop experiment curve of liqid warning-up and cooling down 2 参数自寻优控制的设计 考虑到系统的特殊性，我们采用模糊控制，并通过大量的开环实验结果，利用控制经 验，构造出基本控制规则.模糊控制器的框图结构如图2 受控对象 E U 计算机误差变化率 离散化和模糊化模糊控制规则 模糊决策凸 图2模糊控制器框围 Fig.2 Block diagram of fuzzy controller 图中的关键是如何根据实验中测量到的系统误差及误差变化率设计控制规则，达到优化 决策的目的，在实际运行中，为了能更充分利用系统中预估的信息及便于计算，参考 文献[1小[2小、[4]，我们采用了下面的控制规则形式： U=%E+%C,2∈[0,1]且互相独立 (1) 上式中U、E、C为模糊域变量·、？为寻优参数，实时检测的误差与误差变化量经过

心 杨杨等 自寻优 石 控制在 肢体外循环系 统 中的应用 同时 ， 也 由于 液体 的特殊要 求不能 产生 超 调 ， 因 此 造 成 了 控 制 上 的 难 度 通 过 对 系 统 的物 理 量 分 析及 系 统模 型 辩 识 ， 系 统具 有 慢 时 变 非 线 性 及 参 数之 间 互 相 藕 合 的 特 点 图 是 对液体加 温及 降温过程 中的开环 实验 曲线 ， 用 具 有 遗 忘 因 子 的 最 小 二 乘 法 对 应 各 曲线 的数 据进行离线结构辩识 ， 采样 时 间为 计算所得结果表 明 ， 受控 对象是 具 有 阶 以 上 ， 延 迟在 一 五 的变结构模 型 因此 对此 系 统采 用传 统算法 进行 控 制很难达到 要 求 一 山 盆 一 一 ， 。一下饰一下一飞产 竺卜 竺卜 从一 ‘ ，’ 。 卜 过卜 …匕 丁 一 了 一 而 万 一 加一 图 液体升温 、 降温过程 的开环 实验 曲线 瑰 日 如甲 拼垃拢‘ 。 口， 地 ” 嗯一 回 。 到角吨 面栩 参数 自寻优控制 的设计 考 虑到 系统 的特殊 性 ， 我们采 用 模 糊 控 制 ， 并 通 过 大 量 的 开 环 实 验 结 果 ， 利 用 控 制 经 验 ， 构造 出基 本控制规则 模 糊控 制 器 的框 图结构 如 图 计算机误差 变化率 模糊控制规则 图 模糊控制器框图 触 日 生 曲卿团 仪曰加月肠 图中的关键是 如何 根 据 实验 中测 量 到 的系 统误差 及 误差 变 化率设计 控制规则 ， 达到优化 决 策 的 目的 在 实 际运 行 中 ， 为 了 能 更 充 分 利 用 系 统 中 预 估 的 信 息 及 便 于 计 算 ， 参 考 文献 【 、 【 、 【 ， 我们采 用 了下 面 的控 制规则形 式 下 ， 任 【 ， 且互相 独 立 上式 中 、 、 为模 糊 域 变量 下 、 下 为寻优参数 ， 实时检 测 的误差 与误差 变化量 经过

.76. 北京科技大学学报 1994年No.1 离散化和模糊化转换为相应的E、C.经上式运算后，再经过转换后即可控制系统的驱动装置. 具体控制过程如下：首先根据经验，采用全速控制以提高系统的响应速度（对温度控制 是通过全功率加热实现的；对pH值及压力控制由给定值与检测值之差决定).当系统输出 达到一定的值后，切换到Fu四y控制.Fu四y控制时对于参数的自寻优是应用预测模型，采 用5点搜索方式.预测方程及实现步骤如下： (1)系统的预报模型为： y(k+d/k)=ay(k)+a2y(k-1)+…+ay(k-p+1) +Bou(k)+Bu(k-1)+·+B,(便-q)+e(k+d)(2) 上式中： e(k+d)=4c(k+d)+…+4,e(k-g+I) p=n,q=n+d-1 式中参数么心，月，月，通过在线辩识获得，设： 0T=(1,B…B。） D'(k)=[y(k),…y(k-p+I),4(k),u(k-1),…u(k-q)] 则(2)式的最小二乘估计可用下式表示 y(k+d/k)=Φ()0(k)+B。w(k) (3) (2)设0(k-1),y(k+d/k-1)均为已知，当系统给定值为y,时，有 e(k+d-1/k-)=y,-y(k+d-1/k-1) ck+d-1/k-1)=e(k+d-1/k-1)-e(k+d-2/k-2) (4) 将e和c转换到模糊域中，代人(1)式，通过对，2的搜索，计算出U值，给定的初 始值为Yo(k人Y0(k),则： [,(k),2(k)]∈{[Yo(k),Yn(k)],[y1o(k)±△1，ym(k)±△2]} △，和△2为搜索步长，实际运行中，我们设Yo(0)=Ym(0)=0.5,△=△2=0.02· (3)从(1)式出发，根据不同的y,i=1,2,可求出U,i=15的不同值，将其转换 为值域后，则产生出基本控制量U(k),i=15.应用(3)式求出y:(k+d/k),式中B根 据经验确定，因此U(k)的选择是使用下面的目标准则成立： J=min ly,-y,(k+d/k)=min 1e(k+d/k)l (5) u(k)EU,(k) u(k)EU(k) (4)由(5)式通过计算相应的e(k+d/k)及c(k+d/k),即可得到下一步的控制量 u(k+1),从而达到参数自寻优的目的· 3运行结果 对本文所研究的肢体体外循环系统，考虑到它的非线性慢时变特性.我们分别进行了基

北 京 科 技 大 学 学 报 夕辫 年 离散化和模糊 化转换 为相 应 的 、 经上式运算后 ， 再经过 转换后 即可控 制 系 统 的驱 动装置 具体控 制过程 如下 首先根据经验 ， 采用全速控制 以提高系 统 的响应速度 对温度控 制 是 通 过全 功 率加 热实现 的 对 值及 压力控制 由给定值 与 检 测 值 之 差 决 定 当系 统 输 出 达到 一定 的值后 ， 切 换到 石 控制 石 控制 时对于 参数 的 自寻 优 是 应 用 预 测 模 型 ， 采 用 点 搜索方式 预测 方程及 实现步 骤 如下 系 统 的预报模 型 为 夕 夕 夕 一 ‘ ’ 夕 一 夕 几 刀 ， 一 ‘ ‘ 刀 。 一 上 式 中 巧 。 … … 料 ￡ 一 叼 ， 一 式 中参数 盯 二 ， ， 刀 … 民通过在 线辩识 获得 ， 设 口 丁 二 … 。 ， 刀 ，…民 巾 【夕 ， … 夕 一 ， ， 一 ， … 一 』 则 式 的最 小二乘估计可 用 下 式表示 ， 人 人 一 。 乡、 。 、 设 户 一 ， 一 均 为 已 知 ， 当系 统给定值 为 夕 时 ， 有 言 一 一 一 一 一 言左 一 天一 言 汉一 人一 一 舀 一 一 将 言和 言转换到 模糊 域 中 ， 代 人 式 ， 通过 对 沁 ， 儿 的搜 索 ， 计算 出 值 ， 始值为 。 、 下， ， 则 ， 儿 任 ， 。 ， 下， ， ，。 士 ， ， ，， 士 △ △， 和 △ 为搜索步 长 ， 实 际运行 中 ， 我们设 姚。 下， 二 ， △， △ 二 从 式 出发 ， 根 据不 同的 ‘ ， 二 ， ， 可求 出 ‘ ， 卜 的不 同值 ， 为值域 后 ， 则产 生 出基 本控 制量 以 ， 卜 · 应 用 式 求 出 ‘ ， 据经验确 定 ， 因此 的选 择是 使用下 面 的 目标准则成立 给定 的 初 将其 转 换 式 中 民根 」 。 〔 ‘ 一 截 由 式 通 过计算 相 应 的 言 及 艺 ， 即 可得到 下 一 步 的 控 制 量 ， 从而 达到 参数 自寻优 的 目的 运行结果 对本文所研究 的肢体体外循 环 系 统 ， 考虑 到 它 的非 线性慢 时变特性 我们分 别进行 了 基

Vol.16 No.1 杨杨等：自寻优Fuy控制在肢体外循环系统中的应用 .77. 于最小二乘法实时辩识的自校正控制和无 预测及有预测参数寻优Fuzy控制的实时运行. 液体温度控制的结果分别如图(3)(4)，(5). 从结果可以看出，自校正算法由于对系统 参数的变化很敏感，尤其是在开始阶段， 参数没有达到稳定时，易造成系统的超调 及振荡，不能满足控制的要求，应用不带 参数预测的模型控制在初始阶段虽然优于 自校正控制，但由于只是根据开环经验制 定的规则表，所以当系统稳定后不能对外 t/h 界环境的干扰产生很好的抑制作用，而设 计的带有参数自寻优控制则达到控制的要 图3自较正控制结果 求，具有很好的鲁棒性， Fig.3 Result of self-tuning control 37. 36 28.6 h的秋腐卡 468一10 t/h 图4无预测参数寻优F四控制结果 图5有预测参数寻优Fy控制结果 Fig.4 Result of self-optimization furzy control Fig.5 Result of self-optimization furzy cootrol with non-predicition parameter with prediction parameter 4结束语 结合生物医学领域中肢体外循环系统的控制问题，根据系统提出的要求，对系统中温度 等参数进行了控制，采用参数实时辩识的预测结果，设计了带有自寻优的模糊控制方法， 参考文献 1王学慧，田成方.微机模糊控制理论及其应用.北京：电子工业出版社，1987.95~120 2冯德益，楼世博.模糊数学方法与应用，北京：地震出版社，1988.30~50 3杨杨，孙荣.生物医学循环系统的Pi网分析与实时控制.北京科技大学学报，1991,15(2)：472~478 4姚敏，朱延庆.一类智能型Fz调节器及其仿真研究.控制与决策，1989.4(6)：49~52

杨杨等 自寻优 刃 控 制在肢体外循环 系 统 中的应用 于 最小二乘法 实 时辩 识 的 自校正 控 制 和 无 预测及有预测参数寻优 石 控制的实邸孟行 液体温度控制 的结果分别 如图 苏 、 从结果 可 以 看 出 ， 自校 正算法 由于 对系 统 参 数 的 变 化很 敏 感 ， 尤 其 是 在 开始 阶段 ， 参数没有 达到 稳定 时 ， 易造成 系 统 的超 调 及振荡 ， 不能满足控 制 的要 求 应用 不带 参数预测 的模型控制 在 初始 阶段 虽然优于 自校正 控制 ， 但 由于 只是 根 据开环经验制 定 的规则 表 ， 所 以 当系 统稳定后 不 能 对外 界 环境 的干扰产生很好 的抑 制作用 ， 而设 计 的带有 参数 自寻优控 制则 达到控 制 的要 求 ， 具有很 好 的鲁棒性 、 … 川 …咧 … 卿呵 ’ 图 自较正控制结果 瑰 ， ，日【一 ” 捕吧 。 口 叹 ﹄奋匀 川了肋’ 石 翔 卜， 图 无预侧参数寻优 也写 控制 结果 瑰 已扣 一 甲俪如位刃 加双 曲由 侧瀚 助 一 脚目创位犯 钾诩 挂自叮 图 有预测参数寻优 皿砂 控制结果 殆 刃 州 一 甲自迈丘扣 肠址叮 。 臼吐 月 初伪 洲泌曲扣 脚，搜血甘 结束语 结合 生物 医 学领域 中肢体外循 环 系 统 的控 制 问题 ， 根 据 系 统提 出的要 求 ， 对系 统 中温度 等参数进行 了控 制 采 用 参数 实 时辩 识 的预测 结果 ， 设计 了带有 自寻优 的模糊 控制方 法 参 考 文 献 王 学慧 ， 田 成方 微机模糊 控制理论及其应用 北京 电子工 业 出版社 ， 一 冯德益 ， 楼世博 模糊 数学方法 与应用 北京 地震 出版社 ， 二 一 印 杨杨 ， 孙荣 生物 医 学循环系 统 的 几川 网 分 析 与实时控 制 北京科技大学学报 ， 卯 ， 巧 一 姚敏 ， 朱延 庆 一类智 能型 亿酬 调 节器及其仿真研究 控 制 与决策 ， ， 一