基于模糊控制算法的智能液体点滴速度监控系统.docx
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基于模糊控制算法的智能液体点滴速度监控系统
自动化技术研究
基于模糊控制算法的智能液体
点滴速度监控系统
孟会玲1
骆海涛
2
（11西安外事学院 信息工程学院,陕西西安 710077;21机电信息研究所,陕西西安 710065
摘 要:
为了实现对输液器液体点滴速度的自动调节和控制,通过对液体点滴实际情况进行分析,得到液体点滴速度的数学模型,并提出液滴速度的模糊控制算法。
在此基础上,设计了一套基于PC机和89C52单片机的智能液体点滴速度监控系统。
该系统以对输液器液体点滴速度、液位高度等参数实时检测数据为依据,通过电机调节点滴管壁的横截面积,实现对多个床位液体点滴速度的快速、准确控制,并提供了对异常状况的报警支持,在临床应用中取得了良好的效果。
关键词:
PID;模糊算法;伯努利方程
中图分类号:
TP13 文献标识码:
A 文章编号:
（200702-0099-04
一、引言
静脉输液是临床医学中一个重要的治疗手段。
根据不同病人的病情和体质的差异,需要不同的输
液速度及流量。
目前对于输液速度的控制普遍采用手工方式,由护士根据经验来调节,使得点滴流速不够准确。
此外,在输液过程中,需要实时监视剩余的药液,若药液输完,未能及时更新或结束输液,则会发生医疗事故。
同时,有一些病人,不便或不宜与外界多次接触,例如前段时间的非典型性肺炎,或者骨髓移植后的隔离,这些病人需要输液,但是应避免过多与外界接触,进行管理最佳方式为远程医疗器械的控制。
但长期以来一直没有有效的既可远程控制又可现场控制的自动监测装置,从而需要专人监护,加重了护理人员的劳动负担,也不利于病区的综合管理。
利用提出的智能液体点滴速度监控系统可以实
现对多床位进行远程、集中、分床监测。
并针对不同病人需不同的输液速度而自动控制点滴速度,并在输液结束及出现异常情况时发出警告。
护士可在护士室监控若干病房的输液情况,减轻护士的工作量,实现医院护理自动化。
二、流速控制分析
在输液器工作过程中,液体的流动是脉动式的,只有在液滴滴下去的瞬间液位和压强会发生微小的改变。
液体流动的伯努利方程（忽略损失如式1所示。
pρg+v2
2g
+h=C（1
式1中,压强p是由液位高h决定的,C、g、ρ为常量。
在假设液体为连续流动,且由少数几滴液滴所引起的液面高度变化忽略不计,即液位高h和压强p为定值的情况下,由式1可得液体流速v为定值。
收稿日期:
2007-03-12
作者简介:
孟会玲（1978-
女,陕西咸阳人,西安外事学院信息工程学院讲师,西北工业大学机械电子工程专业硕士,研究方向为机电控制系统。
骆海涛（1978-
男,广西玉林人,西安电子科技大学机械电子工程专业硕士研究生,研究方向为数据采集与处理。
9
9第3卷第2期西安外事学院学报
No12,20072007年6月
JournalofXiπanInternationalUniversity
SerialNo17
假设所有液滴体积相同,液体各处密度相等,排除系统漏气、漏水和阻塞等异常情况的影响,可得液体的流量公式如下:
Q=S×v=d×V（2
式2中,d为点滴速度（即每分钟滴下的液滴数目,V为液滴的体积,S为管口截面积,v为管口处液体的平均流速,Q为每分钟液体的流量。
因为液滴体积V为定值,固定液位高处的流速v为定值,则有点滴速度d与截面积S的关系如式（3所示:
d=S32gC-h-p
ρg
V
（3
但是在实际情况中液面的高度并不是一成不变的,由于液体的不断滴下,会使得液位高度会发生缓慢的变化。
为了反映该变化,假设每滴下10滴液体,液位高h降低一个Δh,液位高可以用质量传感器精确求到,根据要求的点滴速度d,带入式3求得所需管口横截面积S。
采用步进电机带动管口夹紧机构来实现对管口横截面积S的控制。
由于管子挤压时横截面的变化速度和大小主要是由步进电机提供的外力决定的,而步进电机是由单片机高精控制来决定的,故其变化规律是比较稳定的,即在相同条件下,给大致相同的脉冲使步进电机控制截面积变化大致相同的面积时,滴速变化比较稳定。
但是对于管子放松的截面积变化的速度和大小,则是由液体流动时对管壁的反作用力来弹开的,是由管子的张紧力,液体流速、压力、水温、外界气压等多种因素决定的,不是很稳定的,故不能用相同的参数。
[1]根据PID经典算法,建立了按偏差的比例（P、积分（I和微分（D线性组合进给控制的数学模型,其动作规律为u=k
c
e+s0∫t0edt+s2de
dt
用工业上实际采用的的DDZ型PID调节器,即传递函数为
G（s=kc×1+1/（T1s+TDs
1+1/（k1T1s+TDs/kD
来进行建模,其中各参数的确定是由实验采集的数据进行反推的,而由于时间紧张,数据收集有限,推导得到的参数不精确,得到的模型结果并不十分理想。
为了更好的对电机进行控制,使电机控制时间更少,结果误差更小,引入了模糊控制器的设计,用软件设计模糊控制器来实现PID的控制。
对于PID的简易模糊推理算法与一般的模糊推理算法不同,其推理后为一个具体的数量而并非一个一般的模糊集,简易模糊模型如下:
若A
i
、Bi,则Zi。
其中Ai（i≤n为X上的模糊集,Bi（i≤n为Y上的模糊集,Zi（i≤n为Z上的
模糊集。
X
0∈X,Y0∈Y,Z0∈Z,应用模糊推理
算法:
C
i（z
′=（A
i
（X
B
i
（Y
C（Z于是得到
Ci（z′=
Ai（X0
Bi（Y0=hi,z=zi（iΦn
0 ,其他
按照重力中心法有z=
∑n
i=1
hizi
∑n
i=1
hi
由于简易模糊控制推理直接利用以上公式处理速度非常快,则用简易模糊推理PID控制,X=[e1,e2]为误差变化范围,Y=[%e1,%e2]为
误差变化率范围,X上的模糊集E
1、E2表示“误
差大”与“误差小”,Y上的模糊集%E
1、%E2表示“误差变化率小”与“误差变化率大”。
给出下
面四条规则:
若%E
1和%E2,则
μ
1
;若E1和%E2,则μ2;若E2和%E1,则μ3;若E2和%E2,
则μ
4。
其中
μ
1
=αe1+β%e1;μ2=αe1+β%e2;
μ
3
=αe2+β%e1;μ4=αe2+β%e2。
如果给出误差e,误差变化率Δe,则a=（e
2-eΠ（e2-e1和b（Δe2-ΔeΠ（Δe2-Δe1。
有了模糊规则以后,还要模糊推理规则,即选择关系生成算法和推理合成算法。
如果关系生成算法和推理合成算法均采用数乘,则可得
μ=ab
μ
1
+a（1-bμ2+（1-abμ3+（1-a（1-bμ4
ab-a（1-b+（1-ab+（1-a（1-b
则综上可得方程μ=ae+βΔe+η∫edt。
用模糊控制可实现PID控制,但比PID控制灵活的多,因此比PID控制取得了明显的效果。
特别是对管壁放松来说,电机控制更加稳定,效果有显著的提高和改善。
三、液体点滴速度监控系统的组成
整个系统包括由上位PC机“信息数据采集、监测、传输、显示与控制”、护士站监控单片机和多路下位机组成的多点“液体点滴速度检测与控
001
第3卷孟会玲,骆海涛:
基于模糊控制算法的智能液体点滴速度监控系统第2期
制”三级控制单元系统,并采用多机串行通信方式对16路数据通道进行实时通讯
。
图1 系统结构方框图
四、上位PC机软件系统设计
上位PC机主要用于医生值班室,其主要作用一是使值班或者主治医生能随时了解病人的治疗情况,二是利用PC机中容量庞大的外部磁盘存储器记录病人的用药时间、药品品种、用药量等等关键参数。
上位PC机主界面主要显示内容和护士站监测仪显示内容一样,实际上是护士站监测仪显示面板的虚拟仪表,上面的显示数据来自于监测仪,数据和监测仪上的数据同步变化,同时还把不同的数据分别存入相应的数据文件中,做长久的保存。
PC机主机所产生的数据文件形成的数据库可以用于病人用药药效跟踪观察和分析,用药记录等,数据库可以单独使用,也可以加入医院的综合数据库,做到资源共享,以利于医院的现代化计算机管理。
五、护士站监测仪设计
护士站监测仪是本系统中的主要监控仪器,因为病人输液是护士的主要日常工作之一,一般医院的护士人员编制较少,护士人员工作量较大,有了该监控系统,可以提高护士人员的工作效率。
11系统及面板的设计
监测仪主要由控制面板、上位机通信接口和下位机通信接口组成。
控制面板包括基本参数设置的键盘、工作状态显示的输出部分和声、光报警的输出部分。
控制面板输入部分主要由矩阵式键盘系统构成,系统采用可编程接口芯片8279实现键盘的扩展,根据系统需要共设计了16个键,用于设置输
液速度和输液量的基本参数以及上下限报警参数
。
图2 显示面板
监测仪的输出指示主要是由8位LED组成,
分别负责显示显示液面高度（单位是mm、输液速度（单位是滴Π分钟、输液床位号和报警错误信息代号。
21通信系统设计
护士站监测仪和PC机主机的通信是通过标准的RS-232串行接口完成的,而护士站监测仪与床位液体点滴速度检测与控制系统是多机通信,所以系统采用了RS-485多机串行通信系统,其工作过程是通过软件编程设置标志位来识别不同的床位号和不同的工作参数。
六、床位液体点滴速度检测
与控制系统设计
床位液体点滴速度检测与控制系统是整个系统的关键环节,它的性能和精度的好坏直接影响到整个系统的性能和精度。
11
检测系统设计
图3 传感器示意图
为了选择结构简单、精度高、工作可靠并且易于实现的传感器,先后对探针式、微动开关式、激
光反射式和红外透射式等传感器进行了理论分析和工艺试验,最终选择了红外透射式传感器作为系统选用的液体点滴速度传感器。
如图3所示,当无液体通过时,接收器可收到由发射装置发出的光波,电路导通;而当有液滴通
1
012007年第2期（总第7期
孟会玲,骆海涛:
基于模糊控制算法的智能液体点滴速度监控系统
过时,由于液体的折射率与空气的不同,光线不能按原路一一直线传播,电路断开。
示波器监视到的波形会出现由于电路的断开而产生的断路脉冲,两个脉冲之间的时间是一个周期,周期的倒数就是频率,计算脉冲的频率即可算出液滴速度。
21伺服控制系统设计
伺服控制元件有很多种形式可供选择,但是该系统既要求动作灵活,又要求动作可靠,要求驱动力尽可能小,而且还要求计算机要控制方便。
我们先后对凸轮结构控制输液软管截面变形、通过改变高度h的方式控制点滴速度、采用步进电机控制下的绳勒法、采用步进电机控制下的螺栓压紧法等方法进行了理论分析和工艺试验,最终选择了采用步进电机控制下的螺栓压紧法作为控制系统的结构方
案。
[2]七、输液液体液位检测
输液液体的液位检测是监测液体的剩余量,如
果液体用完应该及时报警,通知护士结束输液工作,否则将会引起严重的后果。
为了选择合适的传感器,先后对液面高度分级电阻测量法、磁性浮子测量法和称重法等传感器进行了理论分析和工艺试验,最终选择了称重法传感器作为系统选用的液位检测传感器。
该方法是将称重传感器安放在输液吊架和输液药瓶与输液软管系统中间,测量出输液药瓶和输液软管系统的总重量,然后再根据控制仪输入的药液量进行重量减轻检测,当重量减轻至额定重量的10%时报警,或者设定一个常数作为报警值。
例如假设输液药量为一千毫升,重量约等于一千克,额定重量的10%
为一百克,当系统的总重量减少九百克后报警。
另一种方法就是设定五十克作为报警值,报警用的总重量减少值由额定重量减去五十克来获得。
另外为了提高系统的可靠性,在床位液体点滴速度的检测中设定了如果两滴液体的时间周期超过正常周期的三倍立即报警,因为有两种情况有可能引起报警,一是输液液体彻底用完了,另一种是输液软管或者是针头部分情况异常引起的报警,但是无论是哪一种情况都必须通知护士尽快处理。
八、结果
通过方案制定过程中和总装、调试过程中的大量实验,该系统工作正常,控制精度和运行可靠性都取得了满意的效果。
试验结果表明:
系统可以由速度差自行进行速度控制,由PID控制方式可以在很短时间内（5-10秒内迅速达到要求的速度,并且稳定在要求的速度内,误差为（12滴Π分。
上位机控制,下位机及时响应,速度快,控制方便,下位机所有数据均可准确显示在上位机处,达到了医疗环境的要求。
[参 考 文 献]
[1]卢光贤.机床液压传动与控制[M].西安:
西北
工业大学出版社,1993.
[2]韩建海,张河新.气动比例Π伺服控制技术及应用[J].机床与液压,2001,（1.
[责任编辑 沈 勇]
Thedesignofonedropvelocitywardingsystem
MengHuiling,LuoHaitao
（11AutomaticDepartment,XiπanInternationalUniversity,Xiπan,Shaanxi710077;21MechanicalandElectrical
InformationResearchInstitute,Xiπan,Shaanxi710065
Abstract:
Wedonπtonlymakeamathmodelofthepractice,butalsodesignthecontrolsystembaseonourcarefullyanalysisandtheresultsofexperiments.ThemainunitsofthecontrolsystemarePCandmicrochip89C52,itsworkprocedureasfollow:
TheMCUcangeneratePWMwaves,whichchangesbyspecialPIDthatisourdesignbasedonfeedsofmasstransducerandvelocitytransducer,thenthesewavesdrivemotoradjustthesquareofthepipage,thuswecancontrolthevelocityofdrops.
Keywords:
PID;puzzlearithmetic;bernoulliequationmicrochip
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