用于自动腹膜透析机的自适应加热装置及控制方法与流程

本发明属于医疗电子设备领域，具体涉及一种用于自动腹膜透析机的自适应加热装置及控制方法。

背景技术：

腹膜透析液在注入人体前需要将温度加热到适宜的温度，如37℃左右，以免透析液温度过低或过高引起人体不适，故腹膜透析袋内的透析液温度是非常重要的治疗参数，对该透析液温度的监控尤其重要。

通常，对于手动透析，透析液在注入前会放入恒温箱中若干小时，待温度达到适宜时取出并尽快完成注入，但在使用自动腹膜透析设备治疗时，透析液注入和引流周期通常较多，透析液用量较大，透析时间较长，透析液在常温环境下时间长了很难保证恒定处于适宜温度，在此种情况下如何有效地快速加热透析液到适宜温度并保持恒温，在自动腹膜透析治疗过程中是非常重要的。

目前，自动腹膜透析设备的加热及温度控制方式采用以恒定功率加热，当透析液温度达到预设的适宜温度时停止加热，当透析液温度低于预设温度时再次恒定功率加热，保持透析液相对恒温，但这种温度控制方式存在较大的滞后性，温度超调量较大，即透析液温度波动较大，控制精度低，而且加热器件频繁启动电力无用损耗大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于自动腹膜透析机的自适应加热装置及控制方法，解决目前自动腹膜透析设备的加热及温度控制方式存在温度控制精度低、电力损耗大等问题。

实现本发明目的的技术方案为：一种自动腹膜透析机的自适应加热装置，包括控制器、继电器、温度传感器和加热器件；

温度传感器用于检测透析液温度，并将温度数据传递给控制器；

控制器用于接收温度传感器检测的透析液温度数据，将温度数据与预设温度值比较，根据自适应加热控制算法得出PWM调制信号，控制继电器；

继电器用于根据PWM控制信号调制加热器件所需供电电源的占空比，将经过占空比调制后的电源输入加热器件；

加热器件用于加热透析液，加热功率通过继电器控制。

一种自动腹膜透析机的自适应加热控制方法，包括以下步骤：

步骤1，设定透析液预设温度；

步骤2，将温度传感器检测的透析液温度与预设温度比较，产生温度差值E，温度差值E随时间变化而变化，温度差值变化率为EC；

步骤3，控制器根据每一时刻的温度差值E和该时刻的温度差值变化率EC，通过控制算法转换为相应PWM控制参数；

步骤4，控制继电器根据此时刻的PWM控制参数，实时调节加热器件的电源占空比，从而控制此时刻的加热器件的加热功率，进而控制透析液的温度和升温速率。

步骤5，重复步骤2～步骤4，实现自动腹膜透析机的自适应加热控制。

进一步的，所述控制算法为基于比例-积分-微分的控制方法，定义比例参数为Kp，积分参数为Ki，微分参数为Kd，临界温度差值为Te，定义E的绝对值大于Te时为较大，E的绝对值小于或等于Te时为较小，在不同E和EC状态下，自适应加热控制的步骤如下：

1)当E较大时，取Ki＝0，将E根据比例算法代入到Kp，根据微分算法代入到Kd，使Kp与E正相关，Kd与E负相关，此时若E为正值，则PWM信号占空比与E正相关，随E的增大而增大，加热器件输出功率与占空比正相关，随占空比的增大而增大，加热速率与输出功率正相关，随输出功率的增大而增大；若E为负值，则PWM信号占空比随着E的绝对值增大而减小，加热器件输出功率减小；

2)当E较小时，将E根据比例算法代入到Kp，根据积分算法代入到Ki，使Kp与E正相关，Ki与E正相关，将EC根据微分算法代入到Kd，使EC和Kd负相关。

现有技术相比，本发明的显著优点为：

(1)根据透析液的实时温度状态自动调节加热器件加热功率，加热效率较高，温度控制精度高；

(2)加热器件功率为变频控制，工作中无需反复接通或断开供电电源，电力损耗较低。

附图说明

图1为本发明的加热装置示意图。

图2为本发明的自适应加热控制原理图。

具体实施方式

结合图1，一种自动腹膜透析机的自适应加热装置，包括控制器、继电器、温度传感器和加热器件；

温度传感器用于检测透析液温度，并将温度数据传递给控制器；

控制器用于接收温度传感器检测的透析液温度数据，将温度数据与预设温度值比较，根据自适应加热控制算法得出PWM调制信号，控制继电器；

继电器用于根据PWM控制信号调制加热器件所需供电电源的占空比，将经过占空比调制后的电源输入加热器件；

加热器件用于加热透析液，加热功率通过继电器控制。

加热器件温度设定上限温度Tmax，加热器件输出的温度范围为0～Tmax。温度传感器采用精度为0.1℃的温度计，每隔1秒记录一次透析液温度数据。

结合图2，一种基于上述用于自动腹膜透析机的自适应加热装置的自适应加热控制方法，包括以下步骤：

步骤1，设定透析液预设温度；

步骤2，将温度传感器检测的透析液温度与预设温度比较，产生温度差值E，温度差值E随时间变化而变化，温度差值变化率为EC；

步骤3，控制器根据每一时刻的温度差值E和该时刻的温度差值变化率EC，通过控制算法转换为相应PWM控制参数；

步骤4，控制继电器根据此时刻的PWM控制参数，实时调节加热器件的电源占空比，从而控制此时刻的加热器件的加热功率，进而控制透析液的温度和升温速率。

步骤5，重复步骤2～步骤4，实现自动腹膜透析机的自适应加热控制。

由图2可见，加热过程中通过不断检测E和EC，控制器对PWM参数进行实时修改，以满足每一时刻透析液温度状态对加热功率的不同要求，从而使透析液温度有良好的动态、静态性能。

所述控制算法为基于比例-积分-微分的控制方法，定义比例参数为Kp，积分参数为Ki，微分参数为Kd，临界温度差值为Te，定义E的绝对值大于Te时为较大，E的绝对值小于或等于Te时为较小，在不同E和EC状态下，自适应加热控制的步骤如下：

1)当E较大时，为使透析液快速升温，对PWM控制参数值的计算取较大的Kp和较小的Kd，Ki＝0以免出现较大的超调，将E根据比例算法代入到Kp，根据微分算法代入到Kd，使Kp与E正相关，Kd与E负相关，此时若E为正值，则PWM信号占空比与E正相关，PWM信号占空比随E的增大而增大，加热器件输出功率与占空比正相关，加热器件输出功率随占空比的增大而增大，加热速率与输出功率正相关，加热速率随输出功率的增大而增大；若E为负值，则PWM信号占空比随着E的绝对值增大而减小，加热器件输出功率减小，利于透析液降温；

2)当E较小时，说明透析液温度接近预设温度，为使透析液温度相对稳定，防止出现较大的温度超调量，使加热器件起到为透析液保温的作用，Kp和Ki均取较大值，将E根据比例算法代入到Kp，根据积分算法代入到Ki，使Kp与E正相关，Ki与E正相关，同时为避免透析液温度在预设温度值附近出现震荡，并考虑系统抗干扰性能，将EC根据微分算法代入到Kd，使EC和Kd负相关。

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

结合图1-2，预设温度为37℃，初始状态下透析液温度为25℃，透析液放置在加热器件上，加热器件供电电源为市电220V交流电，加热器件设定上限温度为60℃，临界温度差值Te为3℃。所述的自动腹膜透析设备加热及温度控制方法具体步骤如下：

1)温度传感器检测的透析液温度数据发送给控制器，控制器计算预设温度与此时的透析液温度差值E以及温度差值变化率EC；

2)控制器根据E和EC，通过控制算法得到PWM控制参数值，PWM控制参数值依据如下处理获得：

2-1)当E的绝对值＞3℃时，对PWM控制参数值进行计算，将E根据比例算法代入到Kp，根据微分算法代入到Kd，使Kp与E正相关，Kd与E负相关，Ki＝0，取得较大的Kp和较小的Kd，由于Ki＝0的关系，避免了过大的温度超调量；

2-1-1)若此时E为正值，则PWM信号占空比较大，加热器件输出功率较大，加热速率较高；

2-1-2)若此时E为负值，则PWM信号占空比较小，加热器件输出功率较小；

2-2)当E的绝对值≤3℃时，此时透析液温度接近预设温度，对PWM控制参数值进行计算，将E根据比例算法代入到Kp，根据积分算法代入到Ki，使Kp与E正相关，Ki与E正相关，使透析液温度相对稳定，防止出现较大的温度超调量，将EC根据算法代入到Kd，使EC和Kd负相关，减少透析液温度在预设温度值附近的震荡，提高系统抗干扰性能，使加热器件起到为透析液保温的作用。

在对透析液进行加热的过程中，用精度为0.1℃的温度计对透析液进行监测，每隔1秒记录一次温度数据，采用以上自动腹膜透析设备加热及温度控制方法，温度控制稳态误差小于0.5℃。