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基于模糊PID混合控制等離子體手術電源的設計與研究

作者:李朋,張震,段晨東,夏立(長安大學電子與控制工程學院,西安 710064)時間:2021-10-08來源:電子產品世界收藏
編者按:提出一種關于等離子體電源電路集成化的設計思路,由220 V工頻作為輸入電源,通過環形變壓器降壓輸入、全橋整流電路實現不可控整流和高集成化的調壓電路,其外圍控制PID與模糊智能算法結合實現快速調節功能,最后利用全橋可控逆變輸出滿足醫療需求的高頻方波。本文最后通過MATLAB仿真軟件對整個電路進行設計和仿真。


本文引用地址:http://www.pfaennle.com/article/202110/428671.htm

0   引言

低溫等離子手術電源已經應用于各種臨床手術中,西杰公司在這一領域已經達到MHz 的階段,而我國尚處于起步階段,設備大多依賴進口,價格昂貴,不利于等離子手術系統在我國的普及。論文[1]提出等離子激勵電源絕大多數為高頻高壓電源,而為了減少手術過程中造成污染,為雙極性電源,激發的帶電粒子在電極之間快速運動。文獻[2]論文提出了一種基于Buck 電路的調壓設計,在系統的穩定控制方面還有要改進的地方,本文借鑒了論文[3]中提出的基于伸縮性模糊PID 控制方法,對PID控制參數中的Kp 參數做模糊化處理,并通過論文[4]提出的ZN 整定算法表格對傳統的PID 參數進行整定計算,為了保證系統輸出信號不受其他信號的干擾,參照論文[5]提出的EMI 濾波器對輸入電源進行隔離。在實現系統平穩輸出的同時,實現系統的快速調節。論文從電源系統的整體結構對調壓電路進行詳細介紹,為了提高系統的調節速度,在調壓電路中引入模糊控制算法對參數進行整定,并在逆變環節設計不同頻段的電壓輸出,使得系統功能更加豐富,以滿足對人體不同組織和不同環境下的手術需求。最后通過Simulink 軟件進行仿真驗證。

1   系統整體設計

為了實現電源系統設備小型化、系統高穩定性以及功能的多樣化目標,低溫系統主體電路設計原理圖設計如圖1 所示。

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系統為220 V 工頻輸入,為了避免系統被大電網中的高頻電壓影響,在系統的前級通過EMI 濾波電路,并且通過環形變壓器轉換為系統需要的交流電。系統的主體設計主要分為3 個環節:AC-DC 整流環節、DC-DC 調壓環節、DC-AC 逆變環節。在AC-DC 環節采用的是全橋整流電路,通過濾波環節產生平滑的直流電,然后通過可控升壓電路將輸入的電能升壓調到所需要的幅值。此外,通過后級的全橋逆變電路將直流電逆變為系統需要的高壓交流電。在臨床醫學中,等離子手術的主要作用為切割、消融、止血。不同類型的功能對應不同頻率和電壓輸出,系統設計通過控制全橋逆變電路中MOS 的開關頻率來控制輸出電壓的頻率,實現系統的多功能輸出。

2   直流調壓電路參數設計

設計的直流調壓環節采用的是Boost 電路。在Boost電路中選定輸入電壓為40 V 來計算各參數,此時穩態占空比D 為0.6,輸出電壓為U0 = 100 V ,開關頻率為100 kHz。則周期T =10?5 s為保持輸出電流連續,設電容電流增量為ΔI,應有I < Imax ,其中Imax =1 A:輸出電流應小于1 A,取I = 0.8 A作為計算,R =125 Ω。

電感L:

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為了系統能夠穩定地輸出,在電路設計中取電感L = 70 μH。電容 C 在做計算時,考慮到電壓紋波小于0.1%,即ΔU = 0 0.1 V ,因此,通過公式image.png計算電容 C。為了提高輸出波形質量,取C = 4.72 μF。

3   Boost電路中模糊PID混合控制設計

模糊化控制原理如圖2 所示。

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為了保證系統快速反應,并且能夠使輸出調節更加快速,通過比較得出誤差,并將誤差e 和誤差變化率進行模糊化,通過模糊算法得出實時變化的Kp 控制信號,并通過ZN 整定算法,計算Ki , Kd 參數。與論文[6] 閉環控制相比,系統簡單,響應速度更快,從而實現了Boost 調壓電路的快速穩定控制。

3.1 模糊算法整定Kp參數

對PID 中的Kp 參數進行模糊化控制。模糊化控制是將輸入值與設定值ec 作為輸入進行模糊化處理,通過解模糊化生成精確的系統控制值。本文從模糊控制規則、對模糊化處理的相應隸屬度函數,以及解模糊化3 個方面介紹整定過程。模糊控制規則需要建立模糊控制規則表,將模糊系統的輸入模糊規則設計為NB(負大)、NM(負中)、NS(負小)、ZO(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)七個模糊規則,并建立模糊規則表1。

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隸屬度函數的建立需要考慮系統輸入信號e、ec 的論域,本文采用三角形隸屬度函數建立兩者的論域均為[?3,3] 。假設表1 中每一個模糊規則的有效域橫坐標為[a,c]。

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建立三角形隸屬度函數的數學模型如下:

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其中b 為隸屬度函數有效域的中間值,如表2 所示,μi(b)=1。在有效域之外, μi(x) = 0。通過上述的模糊規則劃分區域。建立相應的隸屬度函數。規則函數圖像如圖3 和圖4 所示。

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通過模糊規則對實時變化的誤差進行模糊推理并輸出Kp 參數,推理過程稱為解模糊化。本文采用重心法解模糊化,離散型二維重心法公式如下:

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其中ei(x)、eci(y)表示輸入量e、ec 按照不同模糊規則集的隸屬度函數。其中xi 表示對應隸屬度的橫坐標,i 表示所屬模糊規則,取值范圍為[1,7] 。通過模糊算法的解模糊化過程輸出的精確Kp 參數與通過ZN 整定算法的Kp ,與臨界震蕩周期Tcrit 之間的關系計算Ki ,Kd 的值,實現對Boost 電路占空比D 的模糊閉環控制。

3.2 整定Ki,Kd參數

ZN 整定算法通過Kp 與臨界震蕩周期Tcrit 的關系計算Ki , Kd 參數。本文通過狀態空間法建立Boost 電路的數學模型,得到占空比到輸出信號的傳遞函數Gvd(s),則Gvd(s) 的傳遞函數為:

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Boost 電路由主電路、PWM 調制網絡和反饋網絡構成,建立系統的開環傳遞函數G(s),開環狀態下系統為線性定常系統。建立系統的Boost 電路的傳遞函數如下:

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帶入系統額定工作參數:

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則系統的閉環傳遞函數為:

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根據勞斯穩定性判據,當系統產生不穩定震蕩時,即 9.4×109 ? 2.6×1010 K = 0 時。 KPcrit ≈ 0.038 時產生臨界震蕩。其中臨界震蕩周Tcrit =1.52×10?3 s。通過臨界震蕩周期與模糊算法整定的Kp參數關系表計算Ki、Kd的值。

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按照臨界震蕩周期與PID 參數表關系計算可得:

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通過ZN 正定算法計算出Ki 、Kd 兩個參數的值,并輸出穩定的電壓信號。

4   仿真驗證

本文通過仿真軟件Simulink 建立仿真模型。構建仿真模型,并對上述模糊控制系統進行仿真。

4.1 混合模糊PID算法仿真

系統通過控制Boost 電路控制系統輸出電壓的幅值[6],本文采用模糊PID 控制算法控制Boost 的輸出電壓值。PID 對系統有滯后和超前校正的作用。在低頻頻段有積分的作用,能夠有效地改善系統的動態性能。而在中高頻頻段有微分的作用,能夠有效地改善系統的動態性能。模糊控制能夠對系統的輸出效果進行評估,按照上文建立PID 的比例、積分、微分環節。建立雙輸入、單輸出的模糊控制器如圖5 所示。

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按照模糊規則建立模糊控制器,對輸入e、ec 與輸出Kp 建立模糊關系。通過模糊規則表確定輸出與輸入之間的關系,并建立模糊規則如圖6 所示。

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建立Simulink 仿真模型,如圖7 所示。

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圖7 模糊控制器模型

系統輸出的方波如圖8 所示,其中靠下的橙色曲線為模糊PID 輸出曲線,中間的藍色曲線為傳統的PID 輸出曲線。

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圖8 傳統PID與模糊器輸出曲線對比

可以看出,模糊控制器的調節時間比傳統PID 要快,并且輸出穩定。

4.2 系統輸出信號仿真

控制后級全橋逆變電路中MOS 管開通與關斷,用以獲得電源需要的高頻方波信號,為了達到系統功能多樣化的需求,控制方式和論文[8] 相似,可以通過改變PWM 波的頻率來實現不同頻率的輸出。以輸出80 V 、100 V 、120 V 分別對應的100 kHz 、310 kHz 為例,輸出高頻高壓方波信號,如圖9 所示。

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5   結束語

系統整體采用全橋整流、Boost 調壓和全橋逆變電路將220 V 工頻電源轉化為等離子手術電源所需要的高頻、高壓的方波波形電源。與傳統相比,設計更加注重系統的集成化,并且通過芯片和外圍電路改進了在DC-DC轉換環節。未來還需要對更高頻率、更高穩定性的電源系統進行研究與開發。

參考文獻:

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(本文來源于《電子產品世界》雜志2021年9月期)



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