朱學(xué)峰 王秀 肖術(shù)駿 林云莉 趙雪竹

（華南理工大學(xué)自動化科學(xué)與工程學(xué)院）

膀胱腫瘤恒溫?zé)峁嘧⒅委熌M設(shè)備的控制實驗研究

朱學(xué)峰 王秀 肖術(shù)駿 林云莉 趙雪竹

（華南理工大學(xué)自動化科學(xué)與工程學(xué)院）

眾所周知，對實際被控對象的模型辨識是進(jìn)行良好控制的重要前提。本論文研究了一種開環(huán)辨識方法。被辨識的對象是膀胱恒溫?zé)峁嘧⒅委焹x模擬設(shè)備，對該對象進(jìn)行了開環(huán)飛升曲線測試，根據(jù)記錄的輸出曲線，采用改進(jìn)的面積法對被控過程的一階慣性加時滯模型進(jìn)行參數(shù)估計，得到被控對象的傳遞函數(shù)。然后，根據(jù)所得到的過程模型，進(jìn)行PID參數(shù)整定并進(jìn)行了閉環(huán)的控制試驗。實驗表明，此方法具有較好的辨識精度，對測量噪聲不敏感，閉環(huán)控制實驗也表明了該控制系統(tǒng)的可行性。

熱灌注治療；開環(huán)實驗；模型辨識；參數(shù)整定；閉環(huán)控制

1 引言

膀胱癌發(fā)生率在美國、歐洲和我國男性中分別列第4、5、10位，年新增病例僅美國就超過了60000例[1]，是常見的惡性腫瘤之一。大多數(shù)淺表性膀胱癌可經(jīng)尿道膀胱腫瘤切除術(shù)（TURBT）治愈，但仍有50%～70%的淺表性膀胱癌在術(shù)后1年內(nèi)出現(xiàn)復(fù)發(fā)，60%～90%在3~5年內(nèi)出現(xiàn)復(fù)發(fā)。對于腫瘤的治療，除傳統(tǒng)的手術(shù)切除、放射治療及化療外，腫瘤的加溫治療（簡稱熱療）是生物醫(yī)學(xué)工程界最有發(fā)展前景的新療法之一。因此，輔助性治療對膀胱癌患者具有極為重要的作用，術(shù)后施行膀胱灌注治療是預(yù)防復(fù)發(fā)的有效手段。

實驗證明：不少腫瘤內(nèi)的血流僅為正常血流量的2%～15%，腫瘤組織的血流大大少于正常組織，高溫能選擇性破壞腫瘤。在41℃～43℃范圍內(nèi)，癌細(xì)胞對熱的敏感性遠(yuǎn)比正常細(xì)胞為高。本課題針對膀胱腫瘤的治療，研制可同時進(jìn)行化療與熱療的恒溫?zé)峁嘧⒅委焹x。通過對化療液流體介質(zhì)加熱，提高病灶組織溫度，對病人進(jìn)行循環(huán)式化療液灌注治療，不僅可直接殺傷腫瘤細(xì)胞或觸發(fā)其凋亡，還可擴(kuò)張腫瘤組織的血管、增加化療藥的膜通透性、提高腫瘤細(xì)胞胞漿中藥物的濃度、逆轉(zhuǎn)某些化療藥物的多藥耐藥等，同時還減輕病人生理不適與經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

為了能開發(fā)、設(shè)計出精確控制化療液溫度的治療儀，我們建立了一套模擬實驗系統(tǒng)，并進(jìn)行了相應(yīng)的建模和控制實驗，為今后開發(fā)、設(shè)計出正式樣機打下堅實的基礎(chǔ)。

2 模擬熱灌注治療儀的描述

為進(jìn)行膀胱腫瘤恒溫?zé)峁嘧⒅委?，我們先進(jìn)行模擬實驗。其模擬試驗設(shè)備如圖1所示。

圖1膀胱腫瘤恒溫?zé)峁嘧⒅委焹x的實驗平臺原理圖

試驗中，人造膀胱（在初步實驗中，該人工膀胱先用一個塑料瓶替代）置于37℃恒溫水浴中，治療液通過三腔管進(jìn)入膀胱，再由三腔管流出進(jìn)行循環(huán)控制。循環(huán)速度用蠕動泵調(diào)節(jié)，在初步試驗中，流量設(shè)定在25轉(zhuǎn)/min。熱電阻T3用于測量人造膀胱內(nèi)的溫度，并將其信號輸入PID控制器，控制器的設(shè)定值一般為42℃～43℃（最佳治療溫度）。PID控制器的輸出是固態(tài)繼電器（SSR）的導(dǎo)通角大小，固態(tài)繼電器串聯(lián)在連接加熱管的電源線中，當(dāng)控制器的輸出變大時，繼電器的導(dǎo)通角變大，加熱管在一個周期內(nèi)和電源接通的時間變長，流過加熱管的水溫就會相應(yīng)增高；當(dāng)輸出變小時，則溫度降低，以此來達(dá)到控制的目的。膀胱的進(jìn)水溫度T2和膀胱內(nèi)溫度T3都輸入到無紙記錄儀中進(jìn)行記錄。實驗系統(tǒng)的加熱管是特殊加工訂制的，其加熱可以用交流或直流供電。

3 對象模型的辨識

為了能精確獲取對象的特性，設(shè)計了相應(yīng)的控制系統(tǒng)并對系統(tǒng)進(jìn)行了開環(huán)飛升曲線的測試。在系統(tǒng)穩(wěn)定時，對被控對象的輸入（PID控制器的手動輸出）做階躍變化，記錄相應(yīng)T3溫度的變化曲線，就可以通過數(shù)據(jù)處理，得到被控對象的數(shù)學(xué)模型。

3.1 辨識原理

一般而言，工業(yè)過程大多可以用一階慣性加純滯后模型來近似：

對于上述模型，文獻(xiàn)[1]提出，從穩(wěn)態(tài)的輸出和輸入的幅值來獲得K，響應(yīng)曲線中有最大斜率點的橫坐標(biāo)作為L，從時滯L到曲線上升到0.63K之間的時間為T，這是一種最簡單的數(shù)據(jù)處理方法，但在過程噪音比較大的情況下，辨識精度有限。

兩點法的K值如上所述，T和L值通過t1=0.28K和t2=0.63K的值經(jīng)過數(shù)值計算[2,7]，該方法也比較簡易，但是對測量的噪聲也很敏感。

文獻(xiàn)[3]提出的面積法對于噪聲信號不敏感，但是面積法的辨識精度主要依靠一個面積數(shù)值，為提高準(zhǔn)確性，保證系統(tǒng)進(jìn)入下一個穩(wěn)態(tài)，所以測試的時間必須足夠長。

在Qiang Bi等人的研究基礎(chǔ)[4-5]上，我們采用一種對噪聲不敏感，且測試不需要必須達(dá)到下一個穩(wěn)態(tài)值的方法。該法具體做法如下：首先使系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，然后，輸入階躍信號u(t)=h，直到系統(tǒng)進(jìn)入下一個穩(wěn)態(tài)，記錄相應(yīng)的輸入u(t)和輸出y(t)的值。對于上述式(1)描述的過程，得輸出為：

其中w(t)是測量噪聲。從t=0到t=τ(τ≥L)對y(t)積分的推導(dǎo)結(jié)果為三項之和：

方程（4）還可以寫成以下矩陣方程：

Ts是采樣時間且mTs≥L。n為采樣次數(shù)。由KTL組成的矩陣θ可通過下式得到：

上述估計是在δ(τ)為均值白噪聲的基礎(chǔ)上得到的，但是在實際工業(yè)應(yīng)用中，大部分噪聲是均值相關(guān)的。一個解決的辦法是選取一個合適的矩陣Z來代替Ψ，Z需要滿足：

3.2 治療儀模型辨識

根據(jù)上述辨識原理，對治療儀進(jìn)行開環(huán)控制，即控制手動輸出為30（滿量程為100）使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，再手動改變輸出至55，即被控對象輸入為u（t）=0.25。相應(yīng)地，T3溫度由38.6°升至41.6°，記錄被控對象的輸出值數(shù)據(jù)并進(jìn)行辨識：mTs≥L的時刻各值，組成Z,ψ,Γ矩陣的第一行。第i時刻時，A[(m+i)Ts]是mTs到（m+i）Ts之間y(s)的累加和。組成n行矩陣后，以（7）進(jìn)行計算，得到K，T，L的值。辨識得到其傳遞函數(shù)為：

根據(jù)辨識得到的K，T，L值計算其開環(huán)響應(yīng)，與實驗測取的開懷響應(yīng)曲線的比較如圖2所示。點劃線為無紙記錄儀記錄的數(shù)據(jù)，虛線為進(jìn)行辨識得到對象模型的輸出曲線。

圖2 過程模型辨識結(jié)果

由圖2可以看出，辨識模型的輸出與實際輸出是十分接近的。更重要的是，試驗數(shù)據(jù)記錄n值相應(yīng)小幅度變小時，辨識結(jié)果沒有受到太大的影響，例如，對此實驗分別取n值為1600，1800，2000個采樣點時，辨識結(jié)果幾乎相同。

4 PID控制實驗

有了辨識結(jié)果，就可以進(jìn)行PID參數(shù)的整定。這里根據(jù)PID整定規(guī)則[6-8]計算選取Kp=0.1809，Ki=0.0011。但在實際控制中還要對PID參數(shù)進(jìn)行微調(diào)。以下，對該控制系統(tǒng)進(jìn)行了抗干擾性能實驗：

（1）加熱電壓的干擾。加熱管的給定電壓為75V，給予20%的干擾，即電壓由75V調(diào)到90V，再調(diào)回75V后的干擾試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 電壓干擾下的控制試驗

（2）流量變化干擾。在穩(wěn)態(tài)時，蠕動泵的轉(zhuǎn)速為25轉(zhuǎn)/min，給予20%的干擾，即轉(zhuǎn)速由25轉(zhuǎn)/min調(diào)到30轉(zhuǎn)/min，再調(diào)回25轉(zhuǎn)/min的干擾試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 流量干擾下的控制試驗

5 結(jié)論

本文采用了基于階躍響應(yīng)的改進(jìn)辨識方法來進(jìn)行實際對象的辨識，此辨識方法比常規(guī)的一點法、兩點法要準(zhǔn)確很多，并對噪聲不敏感，計算也比較簡單，對膀胱腫瘤恒溫?zé)峁嘧⒅委熌M設(shè)備的辨識實驗證明，該方法是準(zhǔn)確、可靠的。下一步，我們將進(jìn)行動物（豬）的膀胱的辨識與控制實驗。

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The Experimental Control Research on a Simulated Facility with Constant Temperature Hyperthermic Perfusion Treatment on Bladder Cancer

Zhu Xuefeng Wang Xiu Xiao Shujun Lin Yunli Zhao Xuezhu
(South China University of Technology, College of Automation Science and Engineering)

As well known, process identification is very important in process control. A Open-loop identification method is proposed in this paper. The identification object is a simulated facility with constant temperature hyperthermic perfusion treatment on bladder cancer. Open-loop step response is applied ,the process input and the resulted output response are logged, and the improved area method is adopted, from which the parameters of a first-order plus dead-time model can be estimated. Based on some PID tuning rule the closed loop experiments have been conducted. The experimental results have shown that the proposed method has good identification accuracy and is insensitive to the noise. Furthermore, the experiments of the closed loop control system have also indicated the design closed loop control system is valid.

Hyperthermic Perfusion Treatment; Open-loop Control; Model Identification; Parameter Tuning; Closed Loop Control

朱學(xué)峰，男，1940年出生，華南理工大學(xué)自動化學(xué)院教授、博導(dǎo)，主要研究方向：工業(yè)過程的建模與智能控制，軟測量技術(shù)與應(yīng)用，圖像處理與應(yīng)用

王秀，女，1985年生，碩士，研究方向：智能控制與應(yīng)用，圖像處理與應(yīng)用。

肖術(shù)駿，男，1985年生，碩士，研究方向：智能控制與應(yīng)用，工業(yè)過程辨識。

致謝：本論文的實驗系統(tǒng)與相關(guān)實驗是根據(jù)廣州市第一人民醫(yī)院泌尿科主任鐘惟德教授的想法進(jìn)行設(shè)計的，在此表示衷心的感謝。