[發明專利]基于模糊自適應PID控制的磁納米粒子產熱優化方法

在審

• 申請號: 202210824562.2
• 申請日: 2022-07-14
• 公開（公告）號: CN115509115A
• 公開（公告）日: 2022-12-23
• 發明（設計）人: 湯云東;陳鳴;蘇航
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42;A61N2/02
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 陳鼎桂;蔡學俊

1.一種基于模糊自適應PID控制的磁納米粒子產熱優化方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟S1：構建生物組織的幾何模型；

步驟S2：基于生物組織的幾何模型，構建Pennes生物傳熱模型，并預測生物組織內的溫度分布；

步驟S3：通過PID算法控制交變磁場加熱功率；

步驟S4：基于PID控制交變磁場加熱功率，判斷區域最高溫度是否收斂于設定值，若不是則利用模糊控制器對PID算法的參數進行整定，是則跳轉至步驟S5；

步驟S5：將整定后的參數用于PID算法中并輸出優化后的溫度控制曲線。

2.根據權利要求1所述的基于模糊自適應PID控制的磁納米粒子產熱優化方法，其特征在于，所述生物組織的幾何模型由一個圓和一個橢圓構成，其中，半徑為R₁的圓代表第一組織區域，長軸為a、短軸為b的橢圓代表第二組織區域，其中第一組織區域包含在第二組織區域中。

3.根據權利要求1所述的基于模糊自適應PID控制的磁納米粒子產熱優化方法，其特征在于，所述Pennes生物傳熱模型為：

其中，ρ、c、T、k分別表示組織的密度、比熱容、絕對溫度、熱傳導系數，ω_b、ρ_b、c_b、T_b分別表示血液灌注率、血液密度，血液比熱容、血液溫度，t表示磁納米粒子在交變磁場的作用下的加熱時間，符號表示哈密頓算子，Q_m表示單位體積的代謝熱量，α表示功率耗散的校正系數，P表示功率耗散。

4.根據權利要求3所述的基于模糊自適應PID控制的磁納米粒子產熱優化方法，其特征在于，所述預測生物組織內的溫度分布，具體為：設置組織區域的屬性參數，并采用有限元的方法求解Pennes生物傳熱模型，其中，組織區域參數包括組織的密度、比熱容、導熱系數。

5.根據權利要求1所述的基于模糊自適應PID控制的磁納米粒子產熱優化方法，其特征在于，所述PID算法的控制方程為：

error(t)＝y_d(t)-y(t)

其中，error(t)表示設定溫度y_d(t)與實際輸出溫度y(t)之間的差值，u(t)表示PID控制方程，k_p表示比例系數，k_i表示積分時間常數，k_d表示微分時間常數。

6.根據權利要求1所述的基于模糊自適應PID控制的磁納米粒子產熱優化方法，其特征在于，所述所述步驟S4具體包括以下步驟：

步驟S41：給定PID控制的初始參數k_p、k_i、k_d；

步驟S42：求誤差error(t)和誤差的導數

步驟S43：確定輸入隸屬度函數，對誤差error(t)和誤差的導數進行模糊化；

步驟S44：確定模糊規則，對參數k_p、k_i、k_d進行模糊整定；

步驟S45：確定輸出隸屬度函數，對輸出的模糊量解模糊得到精確量；

步驟S46：將k_p、k_i、k_d的初始值與步驟S45求得的精確值進行線性組合構成PID方程新的控制量，并將新的控制量帶回PID控制方程，判斷溫度是否收斂于設定值；如果溫度不收斂于設定值，則需要重復以上步驟直至溫度收斂于設定值。

7.根據權利要求6所述的基于模糊自適應PID控制的磁納米粒子產熱優化方法，其特征在于，所述模糊化是將誤差和誤差的導數的大小通過語言形式描述，模糊子集為：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB},分別代表{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}。

8.根據權利要求6所述的基于模糊自適應PID控制的磁納米粒子產熱優化方法，其特征在于，所述去模糊化采用重心法求解模糊輸出，其表達式為：

其中，z₀表示模糊控制器輸出量解模糊后的精確值，μ_c(z_i)表示z_i的隸屬度值，z_i為模糊控制量論域內的值。