目的 本文旨在实现针对不同的患者个体,以较优的血流动力学效应为目标,实现个性化的体外反搏(enhanced external counterpulsation,EECP)的闭环反馈调控数值模拟.方法 通过集中参数模型模拟研究EECP反搏模式对不同的适应症的影响机制,根据PID控制系统的反馈调节原理,将其应用于体外反搏的研究中,把血液循环系统的闭环式0维集中参数模型作为被控对象,用于个性化体外反搏血流动力学仿真.结合体外反搏局部血流动力学效应评价模型为不同适应症(冠心病或脑卒中)患者设定血流动力学效应优化的个性化目标值,根据设定目标值和当前血流动力学指标之间的误差,通过设置适当的增益系数与误差进行运算来调节不同反搏模式(压力幅值或加压时长)使当前血流动力学指标达到设定目标值.结果 反搏压力对于冠状动脉血流动力学指标的增加更加明显.加压时长对于脑动脉的血流动力学效应的影响最为显著.因此对于冠心病患者设定优化目标值舒张压/收缩压(D/S),通过反馈调节反搏压力使当前D/S达到设定D/S,最终使它们之间误差e的绝对值降低至0.06(均<5％),并得到此时的压力幅值.对于脑卒中患者设定目标值脑血流量(cerebral blood flow,CBF),调节系统输入加压时长减小误差,控制系统的输出当前CBF达到设定CBF,使误差e的绝对值降低至0.06(均<5％)并得到此时的加压时长.结论 数值模拟中血流动力学指标达到优化目标值时应施加的压力幅值和加压时长可为临床体外反搏优化治疗提供理论依据.

目的:探讨一种动力型髋离断假肢控制方法提升佩戴者步态对称性的可行性。方法:通过九轴姿态传感器采集健康人体下肢步态运动学信息，使用BP神经网络建立穿戴髋离断假肢截肢者健侧-假肢侧运动学映射模型。将截肢者健侧腿的运动学信息实时传入该映射模型，生成髋离断假肢运动的目标轨迹，结合下肢假肢动力学模型，通过PID算法控制髋离断假肢电机运动，实现截肢者的实时步态分析和假肢的实时控制。记录截肢者穿戴动力髋离断假肢行走实验中的步长、步频及最大髋关节角度等数据，并结合步态对称性指标S Ⅰ、R Ⅰ、R Ⅱ对假肢控制效果进行评估。 结果:BP神经网络建立的截肢者健侧和假肢侧的运动学映射模型，综合关联度达到98.7%。相对于传统髋离断假肢，动力髋离断假肢髋关节的最大屈曲角度提升了105.5%，截肢者的步态对称性指标S Ⅰ和R Ⅱ分别提升了74.2%和72.2%。 结论:动力型髋离断假肢控制系统能提高假肢穿戴者的步态对称性。

目的 进行基于磁共振成像(MRI)导航的气动手术机器人控制系统设计.方法 构建以气压和超声波电机相结合的机器人驱动系统和基于PID控制的气缸位置控制回路.通过系统辨识,建立气动伺服系统的数学模型,进行PID参数整定和系统特性的仿真研究,利用尼奎斯特判据完成稳定性分析,并对机器人的针刺精度和核磁兼容性进行实验验证.结果 模拟仿真结果显示系统最大稳态误差约为0.4 mm,最大跟踪误差小于2 mm,表明PID控制系统具有较高的控制精度及轨迹跟踪能力.针刺精度实验结果显示,机器人的针刺误差为0.72 mm.水模实验结果显示,核磁图像清晰,表明机器人对核磁成像的影响较小.结论 模拟仿真、针刺实验及水模实验的结果表明,该气动机器人系统整体上能够满足近距离放射手术的要求.

设计一种下肢智能训练系统,对下肢运动障碍患者进行科学化的康复训练,帮助他们尽快恢复行走能力.本系统应用计算机技术,并采用AVR单片机作为下位机核心控制芯片,采用伺服控制系统作为动力机构,通过伺服电机驱动行走机构来模拟正常步行,实现对患者行走训练,并通过PID控制算法对系统运动进行精确控制.实验表明,本系统具有较高精度及较好的疗效,有较好的临床应用前景.

目的 针对婴儿培养箱温湿度控制系统存在的时滞、强耦合问题,本文在传统PID控制技术的基础上,提出了前馈补偿控制方案.方法 首先通过对恒温恒湿控制系统的深入研究,采用阶跃响应法建立耦合系统模型来提高控制模型的准确性和控制精度;然后在控制系统中加入前馈解耦控制器,使原本相互耦合的温度、湿度变量等效为两个独立的温湿度控制子系统;最后,在设定起始环境温度为28℃、起始环境湿度为60.9％的前提下,分别应用本文设计的带有前馈解耦补偿的PID控制方案与传统PID控制方案对温湿度进行MATLAB仿真实验.结果 应用前馈解耦的PID控制方案对温湿度的调节时间分别为1878 s、1210 s,超调量几乎为0,抗干扰峰值均有所降低,响应结果远远优于传统PID控制.结论 采用本文提出的方法,不仅可以排除温湿度控制之间的耦合性,还可以加快温湿度控制的响应速度,增强系统的适用性.

目的:针对现有上肢康复机器人由于体积庞大、移动不便导致上肢功能障碍患者难以在最佳时期介入康复治疗的问题,本研究设计一种以轮椅为平台的轻便式上肢外骨骼康复机器人.方法:根据人体运动学和动力学特性确定合适的机械结构参数并完成整体机械设计;以嵌入式为平台开发上肢康复机器人控制系统,利用自适应PID控制算法解决上肢康复机器人机交互问题;通过上位机软件绘制运动轨迹和关节角度、速度和力矩的变化曲线,验证设计指标达标情况.结果:该上肢外骨骼康复机器人肩关节屈伸、收展以及肘关节伸屈运动范围在人体对应关节运动范围的60.67％-81.10％,肩关节屈伸电机输出力矩0-18Nm,肘关节屈伸电机输出扭矩在0-14Nm.结论:该上肢外骨骼康复机器人设计合理,人体穿戴方便舒适、各关节运动范围、输出力矩符合人体运动特性,且操作简单,移动方便,可帮助上肢功能障碍患者进行被动、主动和助力康复训练.

目的:针对传统的高原环境模拟舱控制方式的不足,设计一种高原环境模拟舱自动化控制系统.方法:该系统以西门子S7-300 PLC作为高原环境模拟舱的控制核心,采用西门子Step7 V5.3 SP3软件编写控制程序,使用西门子WinCC软件制作控制界面,通过PID(proportion-integration-differention)运算来实现高原环境模拟舱的自动化控制.结果:该系统能够准确、稳定地模拟不同海拔高度的上升、平衡、下降,以及对舱内所有环境指标(大气压、氧分压、O2体积分数、CO2体积分数、舱内温度和湿度等)进行实时监控、记录.结论:该系统在短期和长期运行中安全可靠,自动控制各项设定参数的准确性高,能有效简化操作人员的操作流程.

本研究开发了一种基于气压驱动的循环肿瘤细胞分选进样系统.采用上下位机控制结构,以STM32 F103 ZET6为气压控制核心,通过控制电路输出精度为0.001 V的控制电压信号,配合压力控制模块精确控制气压输出,并通过气体压力和液体流量采集模块,实时采集进样过程中的气体压力与液体流量参数,将液体流量信号作为比例-积分-微分控制器(proportion-integral-derivative,PID)的反馈量,实现系统的闭环流量调节,并将气体压力及液体流量通过上位机实时显示.对该进样系统用模拟外周血液进行不同流速下的进样实验,验证系统控制流量输出的可靠性.结果显示,其组内相关系数均大于0.85,证明该压力进样控制系统具有良好的可靠性,可为提高循环肿瘤细胞的分选效果提供技术保障.

目的:设计高压氧舱自动控制系统,提高高压氧舱自动控制的稳定性.方法:该系统采用内环PID(propor-tional integral differential)、外环辅以专家库及自适应算法设计.其中硬件包含工作站、端口模块、传感器、执行器等,采用Delphi7编写采样、输出、控制等代码.结果:该系统能够通过专家库及自适应算法动态调整PID参数,使高压氧舱自动控制曲线逐渐趋向于理论曲线,提高了自动控制的智能性.结论:该系统具有稳定性高、自适应强、抗突发故障等特点,能够满足不同氧舱在不同治疗方案下的自动控制要求.

针对烷氧基化反应控制系统存在的滞后性及弱跟随性,采用双闭环控制(内环采用传统PID算法,外环在非线性自抗扰控制器的基础上引入Smith预估器),利用非线性自抗扰扩张状态观测器效率高的特点提高系统的抗扰性和跟随性.仿真试验结果表明,非线性自抗扰控制在抗扰性和响应速度方面优于线性自抗扰控制.