基于模糊PID混合控制等离子体手术电源的设计与研究
来源:鼎盛在线下载 发布时间:2024-09-22 21:56:27:提出一种关于等离子体电源电路集成化的设计思路,由220 V工频作为输入电源,通过环形变压器降压输入、全桥整流电路实现不可控整流和高集成化的调压电路,其外围控制PID与模糊智能算法结合实现快速调节功能,最后利用全桥可控逆变输出满足医疗需求的高频方波。本文最后通过MATLAB仿真软件对整个电路进行设计和仿真。
低温等离子手术电源已经应用于各种临床手术中,西杰公司在这一领域已达到MHz 的阶段,而我国尚处于起步阶段,设备大多依赖进口,价格昂贵,不利于等离子手术系统在我国的普及。论文[1]提出等离子激励电源绝大多数为高频高压电源,而为减少手术过程中造成污染,等离子体电源为双极性电源,激发的带电粒子在电极之间快速运动。文献[2]论文提出了一种基于Buck 电路的调压设计,在系统的稳定控制方面还有要改进的地方,本文借鉴了论文[3]中提出的基于伸缩性模糊PID 操控方法,对PID控制参数中的Kp 参数做模糊化处理,并通过论文[4]提出的ZN 整定算法表格对传统的PID 参数进行整定计算,为了能够更好的保证系统输出信号不受其他信号的干扰,参照论文[5]提出的EMI 滤波器对输入电源进行隔离。在实现系统平稳输出的同时,实现系统的快速调节。论文从电源系统的整体结构对调压电路进行详细介绍,为了更好的提高系统的调节速度,在调压电路中引入模糊控制算法对参数进行整定,并在逆变环节设计不同频段的电压输出,使得系统功能更为丰富,以满足对人体不同组织和不同环境下的手术需求。最后通过Simulink 软件进行仿线 系统整体设计
为了实现电源系统设备小型化、系统高稳定性以及功能的多样化目标,低温等离子体电源
系统为220 V 工频输入,为了尽最大可能避免系统被大电网中的高频电压影响,在系统的前级通过EMI 滤波电路,并且通过环形变压器转换为系统要的交流电。系统的主体设计大致上可以分为3 个环节:AC-DC 整流环节、DC-DC 调压环节、DC-AC 逆变环节。在AC-DC 环节采用的是全桥整流电路,通过滤波环节产生平滑的直流电,然后通过可控升压电路将输入的电能升压调到所需要的幅值。此外,通过后级的全桥逆变电路将直流电逆变为系统要的高压交流电。在临床医学中,等离子手术的最大的作用为切割、消融、止血。不一样的功能对应不同频率和电压输出,系统模块设计经过控制全桥逆变电路中MOS 的开关频率来控制输出电压的频率,实现系统的多功能输出。
设计的直流调压环节采用的是Boost 电路。在Boost电路中选定输入电压为40 V 来计算各参数,此时稳态占空比D 为0.6,输出电压为U0
为了系统能够稳定地输出,在电路设计中取电感L = 70 μH。电容 C 在做计算时,考虑到电压纹波小于0.1%,即ΔU = 0 0.1 V ,因此,通过公式
为了保证系统快速反应,还可以使输出调节更加快速,通过比较得出误差,并将误差e 和误差变化率进行模糊化,通过模糊算法得出实时变化的Kp 控制信号,并通过ZN 整定算法,计算Ki , Kd 参数。与论文[6] 闭环控制相比,系统简单,响应速度更快,以此来实现了Boost 调压电路的快速稳定控制。
对PID 中的Kp 参数进行模糊化控制。模糊化控制是将输入值与设定值ec 作为输入进行模糊化处理,通过解模糊化生成精确的系统控制值。本文从模糊控制规则、对模糊化处理的相应隶属度函数,以及解模糊化3 个方面介绍整定过程。模糊控制规则要建立模糊控制规则表,将模糊系统的输入模糊规则设计为NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)七个模糊规则,并建立模糊规则表1。
隶属度函数的建立需要仔细考虑系统输入信号e、ec 的论域,本文采用三角形隶属度函数建立两者的论域均为[−3,3] 。假设表1 中每一个模糊规则的有效域横坐标为[a,c]。
i(x) = 0。通过上述的模糊规则划分区域。建立相应的隶属度函数。规则函数图像如图3 和图4 所示。
i(y)表示输入量e、ec 按照不同模糊规则集的隶属度函数。其中xi 表示对应隶属度的横坐标,i 表示所属模糊规则,取值范围为[1,7] 。通过模糊算法的解模糊化过程输出的精确Kp 参数与通过ZN 整定算法的Kp,与临界震荡周期Tcrit 之间的关系计算Ki ,Kd 的值,实现对Boost 电路占空比D 的模糊闭环控制。3.2ZN整定算法
ZN 整定算法通过Kp 与临界震荡周期Tcrit 的关系计算Ki , Kd 参数。本文通过状态空间法建立Boost 电路的数学模型,得到占空比到输出信号的传递函数Gvd(s),则Gvd(s) 的传递函数为:
Boost 电路由主电路、PWM 调制网络和反馈网络构成,建立系统的开环传递函数G(s),开环状态下系统为线性定常系统。建立系统的Boost 电路的传递函数如下:
10K = 0 时。 KPcrit≈ 0.038 时产生临界震荡。其中临界震荡周Tcrit=1.52×10−3 s。通过临界震荡周期与模糊算法整定的Kp参数关系表计算Ki、Kd的值。
通过ZN 正定算法计算出Ki 、Kd 两个参数的值,并输出稳定的电压信号。
本文通过仿真软件Simulink 建立仿真模型。构建仿真模型,并对上述模糊控制管理系统进行仿线 混合模糊PID算法仿真
,本文采用模糊PID 控制算法控制Boost 的输出电压值。PID 对系统有滞后和超前校正的作用。在低频频段有积分的作用,能够有效地改善系统的动态性能。而在中高频频段有微分的作用,能够有效地改善系统的动态性能。模糊控制能够对系统的输出效果进行评估,按照上文建立PID 的比例、积分、微分环节。建立双输入、单输出的模糊控制器如图5 所示。
建立模糊关系。通过模糊规则表确定输出与输入之间的关系,并建立模糊规则如图6 所示。
控制后级全桥逆变电路中MOS 管开通与关断,用以获得电源需要的高频方波信号,为了达到系统功能多样化的需求,控制方式和论文[8] 相似,可以通过改变PWM 波的频率来实现不同频率的输出。以输出80 V 、100 V 、120 V 分别对应的100 kHz 、310 kHz 为例,输出高频高压方波信号,如图9 所示。
系统整体采用全桥整流、Boost 调压和全桥逆变电路将220 V 工频电源转化为等离子手术电源所需要的高频、高压的方波波形电源。与传统
相比,设计更加注重系统的集成化,并且通过芯片和外围电路改进了在DC-DC转换环节。未来还需要对更高频率、更高稳定性的电源系统来进行研究与开发。