基于自适应神经模糊算法的人工心脏搏动流控制系统的仿真研究

基于自适应神经模糊系统的人工心脏搏动流控制系统的仿真研究 才商 要 心脏病重症患者最有效的治疗手段是心脏移植，但由于供体的缺乏限制了该技 术的推广。目前，人工心脏，作为一种心室辅助手段，已广泛地应用于重症心衰患者的治 疗或等待移植的过渡桥梁。为了适应人体的生理需求，人工心脏需要产生搏动的血流。 本文采用自适应神经模糊推理算法（ANFIS）,针对人工心脏的搏动流控制系统进行了数 值研究。 本文首先主要针对人工心脏的研究意义进行阐述，概括描述了人工心在的发展历史及 展望。其次对无刷直流电机的结构，工作原理，数学模型，运动方程等做了详细论述，主 要是为无刷电机转速控制模型的建立提供理论依据。再次介绍模糊控制的结构与原理和隶 属度函数以及ANFIS的结构与原理，并详细地介绍Matlab中的anfis工具箱。最后结合无 刷直流电机和模糊控制及ANFIS的理论知识对电机本体与电机控制部分进行仿真，并对分 析其仿真结果。 仿真结果证明ANFIS可以将神经网络方法和模糊逻辑方法融合在一起，借助神经网络 的信息存贮能力和学习能力，在对广泛选择的样本进行学习后，优化控制规则、各语言变 量的隶属函数及每条规则的输出函数。在此基础上搭建的电机控制系统具有良好的控制 性，适用于人工心脏的仿真。给定波形的周期为0.8s,转速的峰值为8000rpm,其平滑波 动范围为4500rpm-5500rpm,仿真后的波形与给定一致。 关键词人工心脏无刷直流电机模糊控制系统ANFIS Research on a Pulsatile Flow Control System for Artificial Hearts Using Adaptive Neural Fuzzy Algorithm Abstract Most effective in patients with severe heart disease treatment is heart transplant, but due to lack of donor limits the promotion of the technology. At present, the artificial heart, as a ventricular assist means, has been widely used in the treatment of patients with severe heart failure or a bridge waiting for a transplant. In order to meet the body's physiological needs, need to generate artificial heart pulsating flow. In this paper, adaptive neural fuzzy inference algorithm (ANFIS), for the artificial heart beat flow control system is numerically studied. This paper focuses artificial heart research significance elaborate, general description of the artificial heart in the history of the development and prospects. Second, the structure of the brushless DC motor, working principle, mathematical model, the equations of motion, and so do a detailed discussion, primarily for the brushless motor speed control model provides a theoretical basis. Reintroduce the structure of fuzzy control theory and the membership function and the AN FIS structure and principle, and a detailed description of anfis toolbox in Matlab. Finally, brushless DC motor and fuzzy control and ANFIS theoretical knowledge of the motor body and motor control part of the simulation, and analysis of the simulation results. Simulation results show that neural networks can be ANFIS and fuzzy logic methods together, with the neural network information storage and learning ability in a wide selection of samples for the study, the optimal control rules, the membership function of each linguistic variable and output functions of each rule. Built on the basis of the motor control system has good controllability, suitable for simulation of artificial heart. For a given period of the waveform of 0.8s, peak speed 8000rpm, to smooth the fluctuations in the range 4500rpm - 5500rpm, after simulation waveform of a given line. Keywords artificial heart brushless DC motor fuzzy control systems ANFIS 第一章引言 1 1.1课题研究的目的与意义 1 1.2人工心脏的发展现状 1 1. 3人工心脏的发展趋势 3 1. 4 课题的主要研究内容 4 第二章永磁无刷电机的工作原理 5 2. 1无刷直流电机的结构及工作原理 5 2. 1. 1电机本体 5 2. 1. 2 电子开关 6 2. 1. 3转子位置传感器 7 2. 2无刷直流电机工作原理 7 2.3无刷直流电机数学模型 10 2. 4无刷直流电机机械特性及传递函数 11 2. 5无位置传感器的无刷直流电机的驱动控制 14 第三章模糊控制和自适应神经模糊推理 15 3. 1模糊控制的基本原理及结构 15 3. 2模糊推理系统的结构 16 3. 2. 1模糊化 17 3. 2. 2模糊控制规则 17 3. 2. 3模糊推理 17 3. 2. 4反模糊化 18 3.3模糊隶属度函数 20 3. 4 ANFIS网络结构和控制方式 22 3. 4. 1 ANFIS 的结构 23 3. 4. 2 ANFIS的控制方式 26 3. 5 anfis 工具箱 27 第四章ANFIS控制电机转速仿真研究 33 4. 1永磁无刷电机控制系统在MATLAB中的仿真 33 4. 1. 1永磁无刷直流电机本体模块 33 4. 1. 2转速控制模块 34 4. 1. 3转矩计算模块和转子位置计算模块 35 4. 1.4反电动势计算模块 36 4. 1. 5其他模块 37 4. 1. 6仿真结果分析 37 4. 2模糊神经网络的仿真 38 总结与展望 41 参考文献 43 致谢 45 附录 46 第一章 引 言 1.1课题研究的目的与意义 人工心脏的研究具有巨大的社会意义。 心血管疾病在欧美等发达国家和地区早已成为人类生命的头号杀手。在我国，随着医 疗条件的改善，传染病、癌症等疾病的死亡率逐年下降，但心血管疾病逐渐成为威胁生命 的首要因素。现今的治疗手段包括药物和介入治疗，但是心血管疾病的死亡率仍高居不下。 普遍采取的可以接受的最终治疗方法是心脏移植，但众所周知，心脏移植本身就是一种考 验，需要心脏移植的病人不断增加然而供体却没有增加。一些高新技术研究，如基因工程、 组织工程、细胞工程和克隆技术等目前还处在实验室阶段，因此对于大多数患者来说只能 依靠机械血泵辅助循环。：1958年日本及前联邦德国均设立了专门研究中心，1964年Kolff 利用人工心脏使小牛生存24小时。：1966年DeBakey将人工心脏用于瓣膜置换病例，辅助 数小时。1968年开始临床研究，1969年动物实验生存记录为40天。同年Cooley进行了第 一个临床病例植入一时性完全人工心脏后因合并症死亡。1970年Nose等的动物实验生存 100天。1973年以后，动物实验成活率迅速上升。1976年Kolff试验牛成活89天、122天； 1980年度美和彦试验山羊生存232天、242天、288天。：1982年12月1日美国盐湖城犹 他大学医学中心人工心脏研究小组为一患者植入完全人工心脏使其存活卫112天。80年代 中期在心脏移植中对患者进行循环辅助使其存活了 31天，从而再次证实了此种血泵的有 效性。80年代末期又研究了盔泵的可行性，即对具体构件做了改进。 用于全人工心脏的各种血泵的研究开始于五十年代，1953年Gibbons将体外循环应用 于临床。人工心脏这个血液泵受滚筒泵挤压泵管将血液泵出的启发而开始进行研究。：1957 年美国Kolff和Akutsn将人工心脏移植于人体内生存一个半小时，此后开始了世界性的人 工心脏研究〔七 1.2人工心脏的发展现状 在近半个世纪的研究开发过程中，血泵的材料、结构、制作工艺、使用寿命和功能都 有显著改进。应用气动、电动、电液压等不同驱动方式所产生的血流也更接近生理心脏。 初期的研究者认为，与自然心脏结构相似的血泵最容易被机体接受，所以初期的血泵均为 仿生式，即隔膜式血泵。其结构核心是一个柔性腔囊，对此腔囊施加外力时腔内体积产生 变化，周而复始完成泵血功能。它的特点是体积大、结构复杂、生理相容性差、工作寿命 短。 为解决这种状况，研究者开始注意到另一种非仿生结构，即叶轮式血泵，这种血泵起 步虽晚却发展迅速。近年来，随着心脏移植供体的紧缺和心脏外科的迅速发展，心衰患者 辅助时间逐渐增长，患者的生活要求也越来越高，所以在囊状泵和转子泵的基础上发展了 各种植入式叶片泵。 由最初的仿生式一隔膜式血泵发展为现在的非仿生式一叶轮式血泵。世界上已经进行 了几例完全人工心脏临床应用，目前世界上最新的轴流式血泵主要包括以下几种装置： Heraoptunp, MicroMed DeBakey VAD, Jarvik 2000, HeartMate II, Streamliner, Impella system, 柏林INCORI和INTEC等。 Hemopump是一种硅胶套管装配的左心室辅助系统。它是最早被美国食品药物管理局 批准应用于临床研究的轴流血泵。Hemopump被定位为一种专门用在冠状动脉搭桥手术过 程中的应急性心脏辅助设备，同时也可以用于一些诸如心原性休克、术后左心室衰竭和急 性心肌梗死等病理学研究。植入心室的套管是一条直径7mm,长20 mm的柔性硅胶管， 该管直接连在泵体上，体外的控制器可以控制血泵的旋转速度在17000-2