—麻醉过程中的血压控制 - 副本.doc

课程设计名称： 自动控制原理课程设计 题 目：麻醉过程中的血压控制 课程设计任务书一、 设计题目：麻醉过程中的血压控制二、 设计任务：设计一个反馈控制系统，利用预期的MAP 和传感器测量得到的MAP之差作为控制信号，以调整麻醉泵向患者输入的麻醉剂的剂量。三、 设计计划：1.查阅相关资料 2.确定设计方案 3.进行设计并定稿4.进行可行性分析及电脑仿真5.进行电脑输入录出四、 设计要求：1.系统调节时间小于20min2.超调量小于15%3.系统的稳态跟踪误差为零4.最大响应范围在MAP的设定水平的5%之内指 导 教师：教研室主任： 2011年12月19日 结合实际性10知识掌握程度15书写规范性10工作量10总成绩100评语：任课教师备 注 摘 要麻醉的目的是使患者暂时降低疼痛感、弱化意识和本能反应能力，从而确保安全实施外科手术。早在150年前，人们就开始尝试采用酒精、鸦片和大麻等作为麻醉药物，单效果都不理想。这些麻醉药物既无法完全缓解疼痛的强度，也不能缩减疼痛的持续时间。给药量过小，患者的疼痛无法缓解；给药量过大，患者可能进入昏迷状态，甚至死亡。19世纪50年代，作为麻醉药品，美国成功地将乙醚应用于拔牙过程；随后，人们又开发了很多类似的麻醉药品，如氯仿、笑气等，都取得了良好的麻醉效果。在许多麻醉师看来，平均动脉压（Mean Arterial Pressure, MAP）是麻醉深度最为可靠的表征指标。麻醉师通过监控MAP的水平来确定患者应该注入的麻醉剂剂量。基于麻醉师的临床经验以及操作规程，可以将平均动脉压作为受控变量。目 录1 系统设计的步骤.11.1 设计方案 .11.1.1系统设计的流程图 11.1.2确定控制目标11.1.3确定受控变量.21.2 控制系统的指标设计要求21.3 血压控制系统配置21.3.1系统方框图.21.3.2传递函数的建立.32 开环放大倍数和误差计算 .42.1开环放大倍数的计算 42.2 误差的计算.63 结论.94 设计体会.105 参考文献111 系统设计的步骤1.1设计方案1.1.1系统设计的流程图：MAP确定控制目标分析确定受控变量确定控制系统性能指标设计要求进行系统配置，调节建立系统方框图，包括受控变量、执行机构传感器传递函数对控制器进行分析说明，并选择确定需要调整的关键参数4个性能指标要求要求1：超调量；要求2：调节时间；要求3：稳态误差；要求4：抗扰动能力如果系统性能没有达到规定要求，则需要修改系统配置调整参数分析系统性能患者 图1 控制系统的流程图 1.1.2确定控制目标:(1)控制对象：需麻醉的患者(2)控制任务：将患者MAP 调节到任意预期设定的水平，并在存在干扰信号的情况下将MAP维持在预期设定的水平。(3)受控变量：MAP（平均动脉压）(4)系统输入：MAP的期望值(5)干扰输入：手术干扰，噪声干扰(6)误差量：稳态误差=输入输出(7)系统输出：实际的MAP量1.1.3确定受控变量：在许多麻醉师看来，平均动脉压（MAP）是麻醉深度最为可靠的表征指标。麻醉师通过监控MAP 的水平来确定患者应该注入的麻醉剂剂量。给予麻醉师的临床经验及操作规程，可以将平均动脉压作为受控变量。1.2 控制系统的指标设计要求指标要求1 当MAP的设定水平的变化量为幅值是阶跃信号的整数倍且等于其设定水平的10%时，系统的超调量小于15%指标要求2 当MAP的设定水平变化量为幅值是阶跃信号的整数倍，且幅值为设定水平的10%时，系统的调节时间小于20min。指标要求3 当MAP的设定水平的变化量为阶跃信号时，系统不存在稳态误差。指标要求4 当手术扰动输入为阶跃信号（幅值50）时，系统不存在稳态误差，且最大响应范围在MAP的设定水平的5%之内。1.3血压控制系统配置1.3.1系统的方框图 R(s) 传感器Y(s)测量到的血压变化控制器麻醉泵患者血压控制系统应由控制器、麻醉泵、患者和传感器组成，那么分析其之间的关系可得出系统的方框图如下： 图2 血压控制系统的方框图系统的输入信号R(s)为MAP的期望值 ，输出Y(s)为实际的MAP的变化量。控制器利用预期的MAP 和传感器测量得到的MAP之差作为控制信号，以调整麻醉泵向患者输入的麻醉剂的剂量。1.3.2传递函数的建立为了便于分析，我们将麻醉泵的机械结构简化成一个非常简单的麻醉泵，并令其麻醉剂输出速率直接等于在输入端设定的输入速率，即由此可以得到麻醉泵的控制模型的传递函数为 （1.1）利用拉氏反变换可以得到，麻醉泵的脉冲响应为相对于麻醉泵建模，患者的建模过程就要复杂得多。主要原因在很难获取患者（由其是重症患者）的生理系统模型，也很难根据患者新陈代谢的物理规律进行建模。即使建立了类似的模型，那也一定是一种多输入多输出的非线性时变模型。根据我们所学的知识，我们只有能力研究研究单输入单输出的线性时不变模型。那么可以将患者视为一个物理系统，就可以利用脉冲响应的概念来建立其输入输出关系。如果限定MAP只在其设定水平附近微小波动，就可以认为MAP的变化量的波动规律将呈现出线性时不变的特性。利用黑箱方法获取了某个病人的MAP测量数据，并得出理想的脉冲响应应为 其中，P=2，时间t的单位为min。参数p与患者有关，不同患者的参数p也不同。对于上图某个病人的MAP，我们可以知道其P为2。那么对上式进行拉氏变换，可以得到系统的传递函数为 （1.2）假定传感器处于理想工作状态，其传递函数为 （1.3）于是，我们得到了一个单位负反馈控制系统。对于控制器的选择，在本系统中，我们认为，采用比例积分微分（PID）控制器较为合适，其传递函数为 （1.4）其中，,和为控制器的放大倍数，需要根据控制系统设计指标要求来确定。这些放大倍数的选择确定过程如下所示。2 开环放大倍数和误差的计算2.1开环放大倍数的计算设患者的MAP水平降低10%，那么系统输入R(s)是单位阶跃信号的10倍，即其输入信号是幅值为10的阶跃信号，即针对这个阶跃输入信号，通过查表1所给出的3个PID控制器之后，系统的响应如图3所示。可以看出PID1和PID2能够满足调节时间（设计要求2）和超调量（设计要求1）的指标要求，而PID3的超调量较大，超过了指标要求。所谓超调量，是指系统输出中超出预期稳态响应的部分。此处，系统的预期稳态响应为MAP 设定水平的10%。当超调量为15%时，MAP将在设定水平的基础上降低11.5%，如图3所示。调节时间是指系统输出达到并维持在预期稳态输出幅值的某个百分比（如2%）容许范围之内所需要的时间。表1分别给出了与这3个PID控制器对应的超调量和调节时间。 表1 PID控制器放大倍数及系统的性能指标PID输入响应超调量（%）调节时间（min）干扰响应超调量（%）164114.010.95.25257214.28.74.39344439.711.15.16利用MATLAB软件，进行编程，画出如下输入信号以及干扰信号阶跃响应图图3 系统对节约输入信号R(s)=10/s的输出响应（MAP的变化百分比）图4 系统对阶跃干扰信号的输出响应（MAP的变化百分比）2.2稳态误差的计算首先考虑系统的稳态误差。系统的稳态误差为见图2，并令或者 其中，R(s)是幅值为的阶跃输入信号，即。由终值定理，可以得到系统的稳态跟踪误差为即有 由此可见，对于PID控制器而言，只要放大倍数的值不为零，在阶跃输入条件下，系统的稳态误差总是为零。而在PID控制器中，积分环节保证了系统对单位阶跃输入的稳态跟踪误差为零。因此，指标要求3得到满足。指标要求4中提到在输入为阶跃信号时，要求系统的稳态响应为零。那么令R(s)=N(s)=0，可以得到系统输出响应Y(s)与干扰信号之间的传递函数为 扰动信号是倍的单位阶跃信号，即于是，由拉氏变换的终值定理可以得到即有 由此可见，当扰动信号为的阶跃信号时，系统的稳态输出为零，因此指标要求4得到了满足。最后讨论分析系统的扰动响应。前面已经建立了系统输出与干扰信号之间的传递函数： 为了验证是否满足指标设计要求4，取扰动信号为并分析计算系统的响应。上式表明，扰动信号的最大幅值为50()。由于阶跃干扰的幅值越小（），其输出响应的最大值也就越小，也就是说，我们只需要考察幅值最大的阶跃干扰信号，就能够确定系统是否满足了指标要求4。采用表1给出的3个PID控制器之后，系统对干扰信号的输出响应如图4所示。可以看出，控制器PID2的最大响应在MAP 的设定水平的5%的范围内波动，因此能够满足指标要求4的要求；而PID1和PID3则稍稍超出了指标要求4的要求。这三个控制器输出响应的最大值可参见表1。综上所述，在这3个PID控制器中，只有PID2满足了所有的指标设计要求，因此选择PID2作为麻醉水平控制系统的控制器。5 参考文献【1】Richard C.D