便攜式醫療設備中高精度溫控系統的仿真與研究

閆子旭+曹麗亞+年雷+高銘良+劉爽+孫毅

摘 要：為解決便攜式醫療設備中高精度溫控系統的溫度補償問題，本文采用粒子群算法，建立系統補償器模型，并進行模塊仿真研究。使用MATLAB-Simulink搭建動態溫控系統模型與補償器模型，進行仿真分析。仿真結果顯示，該方法使動態溫控系統在響應速度與超調量上得到明顯改善。

關鍵詞：醫療設備；溫度控制；粒子群算法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.11.257

0 引言

針對溫度檢測的精度和時效性問題，本文基于粒子算法，根據傳感器動態補償原理提出了一種可連續高精度調溫的溫度監測和控制系統，實現對溫度的實時檢測，具有提醒和控制的功能。此系統功能強大，便于攜帶，是一款既實用又廉價的控制系統，可廣泛應用于醫療器械、溫室及冷藏等設備中。

1 補償器實現

補償模塊多以數字濾波器的形式實現，將實際數字濾波補償器的補償原理以差分方程形式表示

（1）

其中：為輸出信號，為輸入信號，為噪聲，為延遲算子， 為階次，為補償系數。根據補償差分方程，可以確定應用粒子群算法進行系統動態補償的原理，如圖1所示。如何確定補償系數是粒子群算法要解決的核心問題，應用粒子群算法確定參數，關鍵是確定方法的適應度函數J與慣性系數w[1]。

其中： 溫度系統實際輸出， 為理想輸出， 為樣本數量。適應度函數衡量了實際輸出與理想輸出之間存在的誤差大小，是判斷迭代終止的條件之一[2]。

慣性系數直接決定了搜索速度與最終效果，慣性系數過大，當w取值很大時，有利于全局探尋最佳而不利于局部尋找最佳[3]；當w取值相對小時，則對于局部探尋是有意義的[4]。基于以上因素，確定慣性系數迭代公式

由上式可以看出，慣性系數初始值較大，隨著迭代次數增加，逐漸減小，有利于全局最優解的確定[5]。

2 仿真結果

根據上文理論分析，對動態溫度系統以及補償模塊進行仿真分析。在MATLAB軟件中的Simulink模塊中，通過不同參數的設置，對該模型與補償器進行仿真驗證。

補償前系統超調量為1.65，穩態時間為10-4數量級，穩態誤差為0.02。可以看出補償前系統單位階躍響應存在較大的超調量，同時穩態時間不夠理想。對于補償模塊，采用四階模型，由粒子群算法計算，確定補償模塊個參數為

對應補償器各個參數，對補償前后分別施加單位階躍輸入，進行補償前后單位階躍響應對比。由圖2可知，上圖為補償前傳感器的單位階躍響應曲線，下圖為補償后的響應曲線。由響應曲線對比可以看出，補償后系統響應超調量，1.65下降到1.07，超調量與系統震蕩得到比較明顯的改善；穩態時間由10-4數量級下降到6.5×10-6，穩態時間得到了數量級的下降；穩態誤差由0.02下降到0.0005以下。對比補償效果可知，補償后系統動態性能明顯改善，響應曲線在速度與精度上能夠比較好的反映輸入信號。

對比補償前后的溫度系統幅頻特性，在幅值誤差為2%時，系統工作頻帶由補償前的4×105拓寬到1.44×106。理論上系統經過補償后可以任意拓寬工作頻帶[6]，但實際進行補償，不可能無限拓寬頻帶，因為噪聲信號通常為高頻，工作頻道包含高頻噪聲會導致噪聲放大，甚至有淹沒有用信號[7]，使得測量無法進行。因此，頻帶拓寬為傳感器的 倍即可。

3 結束語

針對以往補償器過于依賴系統模型這一因素，本文應用粒子群算法對動態溫度系統進行補償從而改善系統動態性能，具有一定的推廣價值。此系統功能強大，便于攜帶，是一款既實用又廉價的控制系統，可廣泛應用于醫療器械、溫室及冷藏等設備中。

參考文獻：

[1]邱憲波，袁景淇.帶前饋補償的基因擴增反應高精度溫控系統，2005，26（08）：831-844.

[2]Philip Yu， Takhisov. Using of thermoelectric modules for heat exchange intensification.Proceedings of 20thInternational Conference on Thermoelectrics，2001（03）：467-469.

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