Статья: Использование эффективных систем позиционного регулирования для задач медицинской техники

Моделирование методов для усовершенствования качества процесса регулирования в двухпозиционных системах выполнялось в программной среде Matlab (Simulink).

В качестве объекта управления была выбрана система первого порядка с передаточной функцией следующего вида:

На рис. 5 приведена схема обычного двухпозиционного регулирования (рис. 1).

Рис. 5. Программная реализация модели стандартного двухпозиционного регулирования

В результате видно, что переходные процессы, реализованные посредством стандартной двухпозиционной системы регулирования, характеризуются низким числом включения реле и высокой амплитудой колебаний (рис. 6).

Рис. 6. Результаты моделирования стандартного двухпозиционного регулирования: 1 - выход объекта у; 2 - выход регулятора хр; 3 - рассогласование Ј; 4 -задание уз

На рис. 7 показана схема двухпозиционно-статического регулирования (рис. 2).

Рис. 7. Программная реализация модели двухпозиционно-статического регулирования

На рис. 8 изображены результаты процесса регулирования, реализованного на структурной схеме двухпозиционно-статического регулирования.

Рис. 8. Результаты моделирования двухпозиционно-статического регулирования: 1 - выход объекта у; 2 - выход регулятора хр; 3 - рассогласование є; 4 - сигнал корректирующего устройства хк; 5 - задание уз

Из рис. 8 видно, что процесс регулирования, реализованный посредством двухпозиционно-статической системы управления, характеризуется большим числом включения реле и низким значением амплитуды колебаний управляемой величины, а также наличием статической ошибки.

Программная реализация двухпозиционного регулирования с дополнительным воздействием по первой производной представлена на рис. 9.

Рис. 9. Программная реализация модели двухпозиционного регулирования с дополнительным воздействием по первой производной

На рис. 10 изображены результаты процесса управления, реализованного на основе метода двухпозиционного регулирования с дополнительным воздействием по первой производной.

Рис. 10. Результаты моделирования двухпозиционного регулирования с дополнительным воздействием по первой производной: 1 -- выход объекта у; 2 -- выход регулятора хр; 3 - рассогласование с; 4 - сигнал корректирующего устройства у; 5 - задание уз

Из рис. 10 видно, что процесс управления, реализованный посредством двухпозиционного регулирования с дополнительным воздействием по первой производной, отличается низким значением амплитуды колебаний управляемой величины при заметной симметричности колебаний относительно задания и низким значением числа включений реле.

Схема усовершенствованного двухпозиционно-статического регулирования (см. рис. 4), реализованная в программной среде Matlab (Simulink), приведена на рис. 11.

Рис. 11. Программная реализация модели усовершенствованного двухпозиционно-статического регулирования

На рис. 12 представлены результаты процесса управления, реализованного на структурной схеме усовершенствованного двухпозиционно-статического регулирования.

Рис. 12. Результаты моделирования усовершенствованного двухпозиционно-статического регулирования: 1 - выход объекта у; 2 - выход регулятора хр; 3 - рассогласование е; 4 - сигнал корректирующего устройства хк; 5 - задание уз

В результате видно, что процесс управления, реализованный посредством усовершенствованного двухпозиционно-статического регулирования, повышает качество регулирования за счет уменьшения амплитуды управляемой величины и симметричности ее колебаний относительно задания, число включений реле растет по сравнению с предыдущими методами.

Таблица 1

Оценка качества регулирования

В табл. 1 приведена оценка качества всех систем двухпозиционного регулирования по следующим критериям: максимальное отклонение от задания регулируемого параметра, среднее отклонение амплитуды регулируемого параметра, статическая ошибка и общее количество включений реле за время проведения численного эксперимента.

Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что усовершенствованное двухпозиционно-статическое регулирование отличается существенными преимуществами - минимальным отклонением от заданной величины, а также отсутствием статической ошибки. При этом наблюдается недостаток в виде увеличения числа включений реле, что снижает надежность системы.

Заключение

Анализ результатов имитационного моделирования различных методов усовершенствованного двухпозиционного регулирования показал их преимущество по сравнению со стандартным методом позиционного управления. Это позволяет обеспечить возможность создания систем позиционного регулирования на основе усовершенствованных методов управления в медицинской технике, в том числе для систем, связанных с необходимостью точного и быстрого управления показателями жизненно важных функций: инкубаторов для новорожденных, диагностического и терапевтического оборудования для реанимации и терапии.

Список литературы

1. Кампе-Немм А. А. Автоматическое двухпозиционное регулирование. М. : Наука, 1967. 160 с.

2. Клюев А. С. Двухпозиционные автоматические регуляторы и их настройка. М. : Энергия, 1967. 104 с.

3. Клюев А. С., Глазов Б. В., Дубровский А. Х. Проектирование систем автоматизации технологических процессов : справочное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. М. : Энергоатомиздат, 1990. 464 с.

4. Первозванский А. А. Курс теории автоматического управления : учеб. пособие. СПб. : Лань, 2015. 624 с.

5. Фролов С. В., Фролова Т. А. Приборы, системы и комплексы медико-биологического назначения : учеб. пособие. Тамбов : Изд-во ТГТУ, 2014. Ч. 2. 95 с.

6. Leonhardt S., Walter M. Medizintechnische Systeme: Physiologische Grundlagen, Geratetechnik und automatisierte Therapiefuhrung. 2016. 459 s. doi: 10.1007/978-3642-41239-4

7. Springer Handbook. Медицинские технологии / Stormoff group of companies. 2011. 1485 с.

8. Soler C. P. Prototyping a closed loop control system for a neonatal incubator. 2009. 97 p.

9. Фролов С. В., Куликов А. Ю., Строев В. М. [и др.]. Наркозно-дыхательная аппа-ратура : учеб. пособие. Тамбов : Изд-во ТГТУ, 2013. 96 с.

10. Кореневский Н. А., Юлдашев З. М. Приборы, аппараты, системы и комплексы медицинского назначения. Приборы и комплексы для лабораторного анализа : учебник. Старый Оскол : ТНТ, 2019. 352 с.

11. Фролов С. В., Фролова Т. А. Приборы, системы и комплексы медикобиологического назначения : учеб. пособие. Тамбов : Изд-во ТГТУ, 2015. Ч. 3: Лабораторное оборудование для биологии и медицины. 84 с.

References

1. Kampe-Nemm A.A. Avtomaticheskoe dvukhpozitsionnoe regulirovanie = Automatic two-position regulation. Moscow: Nauka, 1967:160. (In Russ.)

2. Klyuev A.S. Dvukhpozitsionnye avtomaticheskie regulyatory i ikh nastroyka = Two- position automatic regulators and their adjustment. Moscow: Energiya, 1967:104. (In Russ.)

3. Klyuev A.S., Glazov B.V., Dubrovskiy A.Kh. Proektirovanie sistem avtomatizatsii tekhnologicheskikh protsessov: spravochnoe posobie = Design of automation systems of technological processes : reference manual. 2nd ed., rev. and add. Moscow: Ener- goatomizdat, 1990:464. (In Russ.)

4. Pervozvanskiy A.A. Kurs teorii avtomaticheskogo upravleniya: ucheb. posobie = Course of the theory of automatic control: textbook. Saint Petersburg: Lan', 2015:624. (In Russ.)

5. Frolov S.V., Frolova T.A. Pribory, sistemy i kompleksy mediko-biologicheskogo naznacheniya: ucheb. posobie = Devices, systems and complexes of medical and biological purpose : textbook. Tambov: Izd-vo TGTU, 2014;(pt.2):95. (In Russ.)

6. Leonhardt S., Walter M. Medizintechnische Systeme: Physiologische Grundlagen, Geratetechnik und automatisierte Therapiefuhrung. 2016:459. doi: 10.1007/978-3642-41239-4

7. Springer Handbook. Meditsinskie tekhnologii. Stormoff group of companies. 2011:1485.

8. Soler C.P. Prototyping a closed loop control system for a neonatal incubator. 2009:97.

9. Frolov S.V., Kulikov A.Yu., Stroev V.M. [et al.]. Narkozno-dykhatel'naya apparatu- ra: ucheb. posobie = Anesthesia and respiratory apparatus : textbook. Tambov: Izd- vo TGTU, 2013:96. (In Russ.)

10. Korenevskiy N.A., Yuldashev Z.M. Pribory, apparaty, sistemy i kompleksy med- itsinskogo naznacheniya. Pribory i kompleksy dlya laboratornogo analiza: uchebnik = Devices, apparatuses, systems and complexes for medical purposes. Instruments and complexes for laboratory analysis: textbook. Staryy Oskol: TNT, 2019:352. (In Russ.)

11. Frolov S.V., Frolova T.A. Pribory, sistemy i kompleksy mediko-biologicheskogo naznacheniya: ucheb. posobie = Devices, systems and complexes of medical and biological purpose : textbook. Tambov: Izd-vo TGTU, 2015;(pt.3):84. (In Russ.)