电子心率起搏器的PID控制系统设计与仿真

　　仿真软件进行了仿真。

　　1 电子心率起搏器的数学模型及性能指标

　　电子心率起搏器系统可以认为是一个实时监控装置。它是由起搏器和起搏导线构成。起搏器本身是一个脉冲发生器, 由微电子电路和紧凑型电池构成。起搏器必须能够识别和感知心脏自主激动, 当起搏器感知不到任何心脏自主跳动时, 起搏器就会释放一个电脉冲, 心脏的肌肉就会收缩一次。起搏器通过起搏导线与心脏相连, 起搏导线是很细的、外带绝缘层的导线, 直接放置在右心室或右心房中。通过这根导线, 电脉冲被传送至心脏。起搏导线也可以感知心脏的自主激动, 并将这个信息传回给起搏器。

　　起搏器按设定的频率每隔一段时间对心脏跳动情况进行监控。监控频率和时间间隔是根据人的正常心脏跳动频率来设计的。比如一个人的正常心率是 75 次 /min,那么监控频率则设定为 75 次 /min,两次监控的时间间隔为 0 . 8 s 。起搏器工作时, 自动时钟装置每隔 0 . 8 s 就发出信号引导监测心脏跳动,若过了 0 . 8 s 心脏还没有动, 起搏器就会立刻发出电脉冲信号, 对心脏进行电刺激, 引发心脏跳动, 保证心脏正常功能运转。

　　由起搏器的工作原理和设计过程可知, 电子心率起搏器系统中模仿心脏的传递函数相当于一纯积分器, 同时要把心脏跳动状态的电脉冲信号反馈传送回心脏,为一单位负反馈。起搏器的增益及系统参数根据设计经验选择, 其数学模型开环传递函数为G(s)=5/s(s+34.5)[1]。

　　对于此系统,运行 Matlab 程序,可得其时域的性能指标: 超调σ % = 0 , 上升时间tr=14.400s,调节时间 ts=25.797s。虽然系统稳定, 无超调, 但系统的调节时间太长,快速性很差。电子心率起搏系统不能及时有效地调节心速, 显然不能满足实际需求。

　　为了及时准确地控制起搏器正常工作, 就需要在前端加入 PID 控制,而 PID 控制器参数选择是设计要解决的主要问题。

　　2 PID控制系统的Matlab/Simulink仿真

　　PID 控制是比例、积分、微分控制的总体,其传递函数 Gc(s)=Kp+Ki/s+Kds=Kp(1+1/Tis+Tds),而比例环节的放大倍数 Kp,积分时间常数 Ti, 微分时间常数 Td等参数的大小不同, 则比例、微分、积分所起作用强弱不同。因此在 PID 控制器中,如何确定Kp, Ki, Kd三个参数的值, 是对系统进行控制的关键。在控制中如何把三参数调节到最佳状态需要深入了解 P I D 控制中三参量对系统动态性能的影响。

　　被控对象电子心率起搏器的传递函数为 G(s)=5/s(s+34.5),加入 PID 控制器后,在 Matlab 中用 Simulink 搭建的仿真结构如图 1 所示。

　在实际仿真时不断调试参数, 可以得到电子心率起搏器 P I D 控制的 3 个参数分别为:Kp=1000,Ki=0.6,Kd=15。运行仿真得出的阶跃响应波形如图 2 所示, 可以看出其控制效果的动态性能, 特别是快速性比文[1]要好。