颈椎支撑气缸气动系统的控制策略研究

发布时间：2017-08-07 17:15

  本文关键词：颈椎支撑气缸气动系统的控制策略研究

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【摘要】：颈椎综合征一直以来都是长期困扰中老年人群的病症,发病率久高不下,但近年来随着智能手机和平板电脑的普及,患病人群的年龄逐年下探,甚至有儿童患有颈椎综合征的临床病例。作为治疗颈椎综合征的有效手段之一,颈椎牵引疗法被患者广泛接受和认可,但现有的颈椎牵引设备都有着明显的缺陷。本文将气动技术与颈椎牵引相结合,以颈椎牵引床的关键组成部分——颈椎支撑气缸作为主要研究对象,该颈椎支撑气缸组件以多点成形技术的设备结构为灵感,由六个相同规格独立运动的单杆气缸组成,根据人体颈部生理曲线和颈椎骨的大小排列布置,主要用于支撑人体的C3-C5颈椎骨。目的是通过控制颈椎支撑气缸的支撑位置构建不同的颈椎生理曲度平面,来适应和调整不同患者的颈椎生理曲度,初步实现受损颈椎基本康复治疗的功能。首先,根据人体颈椎的生理结构特点,利用三维设计软件绘制了卧式颈椎牵引床的整体设计以及颈椎支撑气缸的结构设计,并解释说明了功能和操作模式,以及本研究选用的颈椎支撑气缸气动系统的工作原理。然后,本文详细介绍了颈椎支撑气缸气动系统数学模型的推导过程,建立了颈椎支撑气缸气动系统的非线性数学模型。根据气动控制系统的特点选择了模糊PID控制作为颈椎支撑气缸气动系统的控制策略,设计了模糊控制器,并且加入了压力-位移的联合控制来确保本研究作为颈椎牵引医疗器械应用时的安全性和可靠性。最后,利用MATLAB/Simulink对颈椎支撑气缸气动系统的控制策略进行了仿真和分析。三种信号的仿真曲线对比显示,本研究制定的模糊PID控制策略能够达到对颈椎支撑气缸的预期控制效果。另外根据颈椎支撑气缸的控制策略进行了硬件的选择。本研究对气动位置控制技术在医疗器械领域的应用提供了相关理论依据,对促进气动技术与颈椎牵引疗法的结合和卧式颈椎牵引床等医疗器械行业的发展具有一定的理论和实际价值。
【关键词】：颈椎牵引 颈椎支撑气缸 气动系统 数学模型 模糊PID控制
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TH789;TH138
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 研究背景11-13
• 1.2 课题研究的意义13-14
• 1.3 国内外发展现状14-19
• 1.3.1 颈椎牵引疗法的国内外发展现状14-17
• 1.3.2 颈椎牵引器械的国内外发展现状17-19
• 1.4 本论文的主要内容19-20
• 1.5 本章小结20-21
• 第2章 颈椎支撑气缸结构和功能及气动系统理论分析21-35
• 2.1 结构和功能21-25
• 2.1.1 卧式颈椎牵引床的总体介绍21-22
• 2.1.2 颈椎支撑气缸结构设计22-24
• 2.1.3 功能与操作模式24-25
• 2.2 颈椎支撑气缸气动系统设计25-27
• 2.3 气缸爬行理论分析27-33
• 2.3.1 单杆双作用气缸爬行的机理27-28
• 2.3.2 气缸最小无爬行速度的推导28-33
• 2.4 气缸输出力理论分析33-34
• 2.5 本章小结34-35
• 第3章 颈椎支撑气缸气动系统的数学模型推导35-51
• 3.1 前言35
• 3.2 气动系统数学模型的推导35-48
• 3.2.1 比例阀的流量连续性方程36-39
• 3.2.2 比例阀的阀口流量方程39-40
• 3.2.3 气缸两腔的压力微分方程40-41
• 3.2.4 单自由度气缸活塞的力平衡方程41-42
• 3.2.5 系统的开环传递函数42-43
• 3.2.6 比例阀的数学模型43-46
• 3.2.7 气动系统的总模型46-48
• 3.3 颈椎支撑气缸气动系统的数学模型48-49
• 3.4 本章小结49-51
• 第4章 颈椎支撑气缸气动系统的控制策略研究51-67
• 4.1 前言51
• 4.2 控制策略的设计原则51-52
• 4.3 颈椎支撑气缸系统的模糊PID控制52-53
• 4.3.1 颈椎支撑气缸的模糊控制52
• 4.3.2 颈椎支撑气缸的模糊PID控制52-53
• 4.4 颈椎支撑气缸气动系统的模糊控制器设计53-62
• 4.4.1 模糊控制器的结构设计53-54
• 4.4.2 精确量的模糊化54-55
• 4.4.3 隶属度函数55-58
• 4.4.4 模糊控制规则表58-61
• 4.4.5 模糊判决61-62
• 4.5 基于压力-位置反馈的联合控制系统62-65
• 4.6 本章小结65-67
• 第5章 颈椎支撑气缸气动系统的仿真分析及硬件选择67-81
• 5.1 仿真分析67-76
• 5.1.1 颈椎支撑气缸的PID仿真分析67-70
• 5.1.2 颈椎支撑气缸的模糊PID仿真分析70-76
• 5.2 颈椎支撑气缸气动系统的硬件选择和设计76-80
• 5.2.1 硬件选择和设计原则76-77
• 5.2.2 硬件具体设计77-80
• 5.3 本章小结80-81
• 第6章 结论及展望81-83
• 6.1 结论81-82
• 6.2 展望82-83
• 参考文献83-89
• 在学期间取得的学术成果89-91
• 致谢91

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