“人工胰脏”的切换闭环控制

发布时间：2017-05-16 06:04

  本文关键词：“人工胰脏”的切换闭环控制，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：对于1型糖尿病人而言，每天维持血糖稳定是一件特别繁琐的工程，众所周知，人体内的胰岛素和胰高血糖素跟血糖变化密切相关，因此要维持血糖稳定，这两种激素必不可少。按照是否引入外源性胰高血糖素，人工胰脏分为两种：单激素人工胰脏（只注射胰岛素）和双激素人工胰脏（同时注射胰岛素和胰高血糖素）。虽然目前很多学者认为双激素疗法是最有希望解决临床问题的办法，但是毕竟研究的历史不长，，导致可用的研究成果很少，而且更重要的是没有人去专门研究胰岛素和胰高血糖素之间的切换逻辑关系，这样的话就无法使两种激素发挥最大功效。我们研究的主要目的就是利用切换控制理论，设计一种恰当的切换律来协调两个子系统之间的关系，使其效率最大化。 在这里，总共提出了两种切换控制器，基于内模PID(IMC-PID)的切换控制器和最优切换控制器。其中基于IMC-PID的切换控制器对应两种切换律：P型切换律和PD型切换律。胰岛素和胰高血糖素的输注速度是通过两个IMC-PID控制器分别设计，引入了动态模型，从而可以更加精确的设计输注速率。第二种切换控制器是最优切换控制器。两个子系统分别用模型预测控制器(MPC)分别控制，通过控制器，每个子系统都可以得到系统的局部最优输入，根据博弈论的思想，提出了一个包含输入和输出的目标函数，这就是我们的最优切换律，通过这个目标函数，可以从三个局部最优输入中选择一个全局最优输入。提出的这些控制疗法都在虚拟平台中与最优的单激素疗法进行了比较。 仿真成果显示，与传统的单激素疗法相比，本文设计的两种切换控制疗法都有着显著的优势，不仅能够减少低血糖，而且使血糖曲线更加平滑，令大部分血糖值都能够维持在安全范围以内，并且对饮食大小、胰岛素敏感度和胰高血糖素敏感度三种变化扰动有很好的鲁棒性。从而有理由相信切换疗法是一种切实可行的避免低血糖的方法，基于切换疗法的人工胰脏也将成为血糖控制中一个很有前途的方向。
【关键词】：切换律 内模PID MPC 博弈论 最优切换控制 血糖控制 人工胰脏
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TP273;R318.14
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-19
• 1.1 引言13-15
• 1.2 国内外的研究和发展现状15-17
• 1.3 本文研究的目的和主要内容17-19
• 1.3.1 本文研究的目的17-18
• 1.3.2 本文研究的主要内容18-19
• 第二章 虚拟病人平台简介19-24
• 2.1 引言19
• 2.2 葡萄糖子系统模型19-21
• 2.3 胰岛素子系统模型21-22
• 2.4 饮食子系统模型22
• 2.5 胰高血糖素子系统模型22-23
• 2.6 本章小结23-24
• 第三章 基于 IMC-PID 的切换控制24-41
• 3.1 IMC-PID 简介24-27
• 3.2 切换律（P-型切换律和 PD-型切换律）27-28
• 3.3 仿真结果28-32
• 3.3.1 控制目标及程序流程图28
• 3.3.2 “预测+中断”疗法28-30
• 3.3.3 对比实验结果分析30-32
• 3.4 鲁棒性分析32-38
• 3.5 加约束的切换控制器研究38-40
• 3.6 本章小结40-41
• 第四章 基于 MPC 和博弈论的切换控制41-62
• 4.1 MPC 简介41-44
• 4.2 博弈论44-47
• 4.2.1 博弈论简介44-46
• 4.2.2 Stackelberg 博弈46-47
• 4.3 最优切换律47-52
• 4.3.1 最优切换的结构框图47-49
• 4.3.2 基于 Stackelberg 博弈的最优切换律49-50
• 4.3.3 最优切换律中的预测步长选取50-52
• 4.4 仿真结果52-56
• 4.4.1 控制目标和程序流程图52-54
• 4.4.2 对比实验结果分析54-56
• 4.5 鲁棒性分析56-61
• 4.6 本章小结61-62
• 第五章 结论与展望62-65
• 5.1 结论62-63
• 5.2 展望63-65
• 参考文献65-68
• 致谢68-69
• 研究成果及发表的学术论文69-70
• 作者及导师简介70-71
• 硕士研究生学位论文答辩委员会决议书71-72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

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3 程代展;郭宇骞;;切换系统进展[J];控制理论与应用;2005年06期

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  本文关键词：“人工胰脏”的切换闭环控制，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：369669