腫瘤熱療儀測量及控制系統(tǒng)的研究

腫瘤熱療儀測量及控制系統(tǒng)的研究二乘法曲線/模糊控制器1引言

熱生物學已經(jīng)確定,在42℃～45℃

系統(tǒng)首先檢測被加熱生物體的溫度,通過傳感器熱電偶檢測出電量,經(jīng)放大器進入A/D送入PC機。根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)執(zhí)行規(guī)定的算法,并計算出控制信號通過D/A傳輸?shù)津?qū)動器,對被控對象進行加熱。圖1為腫瘤熱療系統(tǒng)框圖[1]。

3系統(tǒng)的非線性分析及校正方法的選用3.1系統(tǒng)非線性分析

作為測試儀表,測量精度是儀器的重要技術(shù)指標之一,非線性主要來自于傳感器及硬件電路。對于大多數(shù)非電量儀表,靜態(tài)測量誤差主要包括非線性誤差、溫度誤差及零漂。由于測量電路中采用了低漂移運算放大器,溫差及零漂可以忽略不計。因此主要解決由傳感器造成的非線性誤差。系統(tǒng)中采用PC機作為二次儀表,對于傳感器產(chǎn)生的非線性,主要事先測出這些誤差的規(guī)律,就可以采用某種算法進行校正。

3.2校正方法的分析①表格法:通過實驗測得溫度、電壓造表,柱測后到表中去查,這種方法不僅占用了大量內(nèi)存,工作量非常大,而且不連續(xù)。

②分段折線法:把曲線分成若干段直線使其線性化,分段越多精度越高,但分段后出現(xiàn)許多拐點,處理非常麻煩。

以上方法均不能排除觀測誤差隨機噪聲。

3.3最小二乘法曲線擬合

最小二乘法曲線擬合的思想是:從m對觀測數(shù)據(jù)中(Xi、Yi)求得X與Y的一個近似函數(shù)Y=f(ｍ),而這一函數(shù)反映了觀測數(shù)據(jù)的一般趨勢,又不能出現(xiàn)局部較大的波動。用這種方法構(gòu)成的近似函數(shù)f(ｘ)與被逼近函數(shù)f(ｘ)在區(qū)間﹝a、b﹞上的偏差滿足某種要求。例如,要求偏差的平方和為最小,即是衡量偏差的方法或逼近方式。這種逼近方式稱為最小二乘法[2]。

用這一方法構(gòu)造的近似函數(shù)

(1)

使偏差的平方和

(2)

為最小值的方法。顯然,要使其達到極小質(zhì)由計算方法知必有(設(shè)m=2)。

(3)

整理(3),令(4)

解方程,求得代入(1)式

(5)

曲線擬合即完成[2]。

3.4曲線擬合法的實際應(yīng)用

用精密溫度計作為標準溫度計與溫度傳感器放在恒溫水浴中,記錄下電在X與溫度Y值得到:

將代入(5)式

(6)

到此,校正工作完成,其中⑥式中F。為0號通道溫度值。X為采樣電壓,單位為伏。如果在實際應(yīng)用中達不到理想精度,可以增⑥式的方次,矩陣也相應(yīng)地增加階數(shù),直到滿意為止。

4模糊控制器4.1模糊控制器的生成

由于經(jīng)典控制理論,在對系統(tǒng)進行控制時,必須掌握被控的對象較精確的數(shù)學模型,而腫瘤熱療是對人體局部加熱,由于人體的個體差異及環(huán)境中各種干擾,造成對象動態(tài)特性漂移,用事先確定的參數(shù)一成不變的描述對象動態(tài)特性,就會出現(xiàn)較大的偏差,使其控制過程振蕩,或遠離期望值。故此,用經(jīng)典控制理論設(shè)計的控制器難以使用。

然而,在實際工作中熟練的技術(shù)人員卻能憑借自己的實踐經(jīng)驗控制加熱過程?？刂平?jīng)驗可以用語言加以總結(jié),而這種語言多屬于模糊語言。例如“高于”;“低于”;“越大”等等都是模糊語言。即操作者在實際操作過程中首先得到當前信息(精確量),對照頭腦中的經(jīng)驗,將其模糊化,分析判斷應(yīng)對輸入量將如何調(diào)整,做出模糊決策,再將模糊決策轉(zhuǎn)化為輸入量(精確量)去控制具體的操作。此過程稱為模糊控制器,如圖2:4.2實用的模糊控制器

由模糊控制器原理圖我們知道,在實際工作中單變量輸入控制會產(chǎn)生較大的震蕩。為了達到控制穩(wěn)定性,我們在系統(tǒng)中采用了雙輸入/單輸出,如圖3。圖中E是溫度偏差值E=FT。(T0為設(shè)定溫度);EC是誤差變化率;A為輸出電流。由模糊辨識中知道?？刂埔?guī)則算法。最后再利用最大隸屬原則將模糊量轉(zhuǎn)化為精確量去控制被控對象。

4.3系統(tǒng)中的模糊控制器

在系統(tǒng)中溫度的偏差E及偏差變化率EC是連續(xù)變化的精確量。根據(jù)實驗,我們?nèi)×炕蜃?使E、EC變化范圍映射在[-6,+6]內(nèi)。采用四舍五入取整,將其離散化為13個檔次:{-6,-5,……,-1,0,1,2,……6}。當離散取整后的E、EC值若超過6則取6,當?shù)陀?6時,則取-6。

再將E、EC進行模糊化,由模糊辨識中知道控制器的算法為。將其計算結(jié)果,并在試驗中加以修正后得到控制修正表(如表1)。表1

控制規(guī)則校正表(雙變量Fuzzy控制器)

其作用是當偏差在設(shè)定點以上(或以下)時,且偏差變化率朝向(或背向)設(shè)定時給出一個改變量,以便使系統(tǒng)輸出盡快的朝期望特性變化。例如,最后一行,最后一列表示在離設(shè)定點T。以上最大(E=6)而現(xiàn)時背離T。點最快(EC=6),故用A=-6來校正,使溫度盡快在T。點穩(wěn)定。此時系統(tǒng)輸出確切校正量A。通過實驗我們將A值乘以K3,加上C值,得到A`值,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換,得到所需電流A值,再由執(zhí)行裝置去執(zhí)行。

5結(jié)束語

本文主要介紹了腫瘤熱療系統(tǒng)中測量及控制方法的應(yīng)用,并未對硬件加以描述。作者認為最小二