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基于模糊PID控制策略的人工心脏轴流泵控制方法研究

作　者: 刘佩璋
导　师: 范锦彪
学　校: 中北大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 模糊PID 轴流血泵 FPGA MATLAB
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

人工心脏轴流泵作为自然心脏的机械辅助装置,对于心力衰竭的心脏病人,具有无可替代的作用。微型轴流式血泵作为人工心脏的核心部件,提供维持人体正常的血液循环所需的动力,使自然心脏得到体息,而植入体内的血泵的流速通常会受到泵体前后压力的影响,转速和流速之间呈非线性相关系,对于血泵的流速控制主要依靠人工控制,还缺乏精确的反馈自整定控制系统。因此,设计一套自整定、高精度、响应速度快的智能控制算法显得尤为重要。木文针对微型轴流式血泵的精确控制问题,采用将模糊控制与PID控制相结合参数自整定技术,以速度反馈信号为反馈量,设计了一种基于模糊控制理沦的的模糊PID智能控制系统。通过对模糊PID算法和轴流泵的结构特性的深入研究分析,建立轴流泵的数学模型,井利用MATLAB软件对其进行仿真分析,通过比较传统PID控制和模糊PID控制的仿真效果,验证了模糊PID算法的有效胜和优越性。根据模糊PID算法的特点和微型控制技术的发展现状,提出了利用FPGA实现模糊PID控制算法的具体实现方案,在综合分析模糊PID控制结构特性的基础上,选用Altera公司Cyclonell系列中的EP2C35F672C6作为控制系统的目标芯片,在Quartus Ⅱ开发环境中,采用VHDL编程输入和原理图输入相结合的方式分层对系统进行设计,同时分别对实现的各个功能模块的整体算法模块进行功能时序仿真,根据仿真结果分析,该设计实现了模糊PID控制功能,验证了模糊PHD控制系统的合理性和可行性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-13
  1.1 研究背景  9-10
  1.2 微轴血泵控制研究的国内外现状及趋势  10-11
  1.3 本论文的主要研究内容  11-13
第2章微型轴流泵的基本结构及工作原理  13-24
  2.1 微型轴流泵的基本结构  13-15
    2.1.1 泵体的主要结构  13-14
    2.1.2 定子总成的主要结构  14-15
    2.1.3 逆变器  15
    2.1.4 位置传感器  15
  2.2 微型轴流泵的工作原理  15-17
  2.3 微型轴流泵的数学模型  17-23
    2.3.1 数学模型  17-18
    2.3.2 电磁转矩方程  18-19
    2.3.3 泵体运动方程  19
    2.3.4 机械特性与反电动势方程  19-21
    2.3.5 传递函数模型  21-23
  2.4 本章小结  23-24
第3章模糊PID控制原理  24-36
  3.1 模糊控制理论  24-29
    3.1.1 模糊控制的基本思想  24
    3.1.2 模糊控制系统的组成  24-28
    3.1.3 模糊集合的定义及其表示  28
    3.1.4 隶属函数的确定原则  28
    3.1.5 模糊关系与模糊关系合成  28-29
  3.2 PID控制  29-34
    3.2.1 PID控制原理  29-31
    3.2.2 PID控制器各参数对控制效果的影响  31-32
    3.2.3 PID控制器参数的整定  32-33
    3.2.4 PID控制器的局限性及其发展方向  33-34
  3.3 模糊PID控制理论  34-35
  3.4 本章小结  35-36
第4章模糊PID控制器设计及其MATLAB仿真  36-46
  4.1 模糊PID控制器的设计  36-39
    4.1.1 模糊控制器的模糊化的设计  36-37
    4.1.2 模糊控制规则的设计  37-38
    4.1.3 去模糊化  38-39
  4.2 MATLAB仿真验证  39-44
    4.2.1 隶属度函数  39-40
    4.2.2 模糊控制规则  40-41
    4.2.3 模糊PID控制器  41-44
  4.3 仿真结果分析  44
  4.4 本章小结  44-46
第5章模糊PID算法子模块的FPGA实现及仿真  46-65
  5.1 偏差及偏差变化量生成模块设计  47-48
  5.2 模糊隶属函数及知识库的设计  48-51
    5.2.1 隶属函数的编码设计  48-49
    5.2.2 模糊控制规则查找表的寻址  49-51
  5.3模糊量化模块的实现  51-54
    5.3.1 模糊量化等级的设计及仿真  51-53
    5.3.2 模糊化的实现过程及其仿真结果分析  53-54
  5.4 模糊推理模块的设计及仿真  54-56
  5.5 解模糊模块的设计及仿真  56-57
    5.5.1 除法的实现  56-57
    5.5.2 解模糊的仿真分析  57
  5.6 增量式PID控制模块的实现  57-60
  5.7 模糊PID算法整体模块的FPGA实现及仿真  60-63
    5.7.1 模糊PID算法整体模块的FPGA实现  60-61
    5.7.2 模糊PID算法整体模块的FPGA仿真  61-63
  5.8 PWM控制信号输出设计  63-64
  5.9 本章小结  64-65
第6章结论  65-67
  6.1 主要工作总结  65
  6.2 本文主要创新点  65
  6.3 工作研究展望  65-67
参考文献  67-71
附录  71-75
读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果  75-76
致谢  76

基于模糊PID控制策略的人工心脏轴流泵控制方法研究

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