基于模糊控制的艾灸床温控系统的研究与设计

发布时间：2020-06-03 05:08

【摘要】：根据调研发现,现在流行使用的艾灸床均以手动调温或温度不可调为主,为最大化的发挥艾灸的疗效及方便人们的使用,本文通过研究分析了模糊PID控制算法,并将其首次应用到艾灸床温度控制系统中,实现了温度的智能控制。同时,本文以功能强大的STM32F103ZET6作为主控芯片,使用TFTLCD彩屏及按键设计了良好的人机交互界面,并使用LabVIEW编写了艾灸床监控界面。在探究熏灸腔内的温度变化规律时,自制了多路测温仪。根据分析现场测试时采集的数据,本文所设计的艾灸床温控系统能够达到较为准确控温的目的,该温控系统的精度可达±1℃,其具有较为广阔的应用前景和市场。论文主要进行了以下方面的工作:1、使用K型热电偶及STC89C52RC作为主控芯片设计下位机,用LabVIEW编写上位机界面,设计了多路测温仪;使用该测温仪,将温度传感器的探头排列成矩阵的形式,采集熏灸腔内的温度数据;使用MATLAB绘制了时间-温度-高度曲线图及平面温度分布图,本文对熏灸腔内温度场的分布进行了较为深入的研究。为设计温控系统时的温度传感器的放置位置、控制算法的选择及模糊控制器的设计提供了初步的依据及数据。2、根据所采集的温度数据及艾灸床的传动机构创建了艾灸床温度控制系统的数学模型。研究分析了PID算法、Bang-Bang-PID算法及模糊PID算法。在MATLAB/simulink中建立了三种控制算法的仿真程序,对三种控制算法的控制性能进行了仿真分析及比较。最后本文选择模糊PID控制算法作为温控算法。3、设计了硬件驱动电路,本文选择以Cortex-M3为内核的STM32F103ZET6作为主控芯片。使用场效应管及IR2104s设计直流电动推杆驱动电路,同时设计了排气扇、点火芯、温度采集、TFTLCD显示、超温报警、电源转换及ADC采集电路,并使用Multisim软件对设计的电路进行了仿真分析。并使用Altium Designer软件绘制了印刷电路板,并完成了对电路板的焊接及调试。4、设计了系统软件,使用C语言在MDK-ARM的开发环境下编写了模糊PID控制算法,同时编写了所设计电路的驱动函数。并在LabVIEW中编写了艾灸床监控界面,具有温度、ADC数据的显示及保存等功能。5、对软硬件进行了系统测试,使用示波器采集了电机驱动电路的波形,并使用万用表对其他电路进行了测试。对所设计的多路测温仪进行了精度及灵敏度的测试,其性能可满足本文的需求。对整个软硬件系统进行了现场测试,使用艾灸床温度监控界面对熏灸腔内的温度进行采集。根据对数据的分析结果可知:在模糊PID算法的作用下,熏灸腔内温度的稳态精度可达±1℃,具有超调量较小及响应速度较快的特点。根据以上论述可知:本文所设计的温控系统能达到较为理想控温效果,可以满足设计者的需求。
【图文】：

医针灸医疗器械的研究现状 1994 年曹炀、刑鲁栋提出我国针灸器械的发展设想[23]。2007 年甘肃雒成林在中华中医药学刊上提出在发展中医医疗器械时要紧紧把握住[24]。2012 年上海交通大学王群超通过实验研究艾灸的燃烧状态40 单片机作为控制核心制作了小型化激光灸疗仪[25]。2018 年成都中医羽设计了一种可穿戴多功能的关元穴按压仪[26]。医针灸具有悠久的历史文化，2010 年被列入世界非物质文化遗产[27]。，，国家投入大量的经费对中医针灸进行全面研究，充分肯定了艾灸在的作用[28-31]。近十多年来，艾灸被越来越多的人所接受，将艾灸与现术相结合的医疗器械广受人们的青睐。图 1-1 为现代流行艾灸床的三

比常规 PID、Fuzzy-PID、Smith-Fuzzy-PID 及改进的 Smith-Fuzzy-PID 的控制效果并将其使用在深海液压补油装置系统中，结果表明改进的 Smith-Fuzzy-PID 在深海液压补油系统中可取得较好的控制效果[46]。S.M.Rakhtala, E.Shafiee Roudbari 将模糊PID控制算法运用到PEM燃料电池的控制系统中[47]。E.B. Priyanka, C.MaheswarS.Thangavel 使用 PLC 作为主控制系统，采用 Fuzzy-PID 控制算法，将作者所设计的整套系统应用在控制输油管输油量的系统中，通过实时的实验数据表明 FuzzyPID 算法具有较好的控制性能[48]。2017 年西安交通大学的王炳淇，韩小渠等人将模糊控制器使用在锅炉蒸汽温度控制系统中，对模糊控制器的性能进行了较为深入的研究，并与传统的 PID 的控制效果进行对比分析[49]。1.5 项目来源与技术指标本论文是以合作公司提供的医用艾灸床为研究基础，对艾灸床的控制系统进行改造升级。医用艾灸床如图 1-2 所示。
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH789;TP273.4

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本文编号：2694347