كنترل اتوماتیك فشارخون با استفاده از كنترلر PID و تنظیم پارامترهای آن توسط الگوریتم ژنتیك

فشارخون بالا زمانی ایجاد می شود كه فشارخون در دیواره رگ ها بیش از حد معمول بالا رود كه این وضعیت بسیار خطرناك است چون گاهی اوقات تاْثیرات مخرب آن در مرور زمان افزایش می یابد ، پس ثابت نگه داشتن سطح فشارخون در حالت نرمال حائز اهمیت است . کنترل PID به دلیل سادگی و مقاوم بودن آن تا کنون در کنترل بسیاری از پروسه های صنعتی مورد استفاده قرار گرفته است. معمولا در کاربردهای صنعتی، پارامترهای کنترلر PID به صورت دستی و با سعی و خطا تنظیم می شود. تنظیم پارامترهای کنترلر به صورت دستی، کارایی آن را به ویژه در شرایطی که زمان اهمیت دارد و نیز در مواردی که پارامترهای پلانت از قبل مشخص نباشد، کاهش می دهد. لذا در سالهای اخیر کار تحقیقاتی زیادی در زمینه تنظیم اتوماتیک پارامترهای کنترلر PID انجام گرفته و از بسیاری از تکنیک های هوشمند مانند الگوریتم های ژنتیک، بهینه سازی انبوه ذرات و ... برای تنظیم پارامترهای این کنترلر استفاده شده است.

در این پایان نامه، از الگوریتم ژنتیک جهت تنظیم پارامترهای کنترلر PID استفاده شده است. تنظیم اتوماتیک پارامترهای کنترلر توسط الگوریتم ژنتیک، دقت و سرعت کنترلر را به طرز قابل توجهی بهبود بخشیده و انعطاف کنترلر را برای برخورد با سیستمهای مختلف افزایش می دهد. کنترلر PID-GA پیشنهادی ، جهت تنظیم نرخ تزریق دارو به منظور کنترل فشار خون بیمار مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج شبیه سازی ها نشان می دهد که این کنترلر با دقت و سرعت مناسب، سطح فشار خون بیمار را به حالت نرمال برمی گرداند و تغییر پارامترهای بیمار نیز در کارایی کنترلر تاثیری نخواهد داشت.

واژه های كلیدی : تنظیم اتوماتیك فشارخون ، كنترلر PID ، الگوریتم ژنتیك ، تنظیم پارامترهای كنترلر PID با الگوریتم ژنتیك

فهرست مطالب:

فصل اول مقدمه 1

فصل دوم بیماری فشارخون و روش های درمان پزشکی 4

2-1 مقدمه 4

2-2 تعریف فشار خون 6

2-3 انواع فشار خون 7

2-3-1 علائم 7

2-3-2 تشخیص 8

2-3-3 درمان 8

2-4 افزایش فشار خون 11

2-4-1 شکل فشار خون بدخیم یا تشدید شده 12

2-5 عوارض ناشی از فشار خون بالا

2-5-1 نارسایی قلبی 12

2-5-2 نارسایی کلیه 13

2-5-3 ضعف بینایی 13

2-5-4 سکته مغزی 13

2-5-5 حمله گذرای ایسکمی 14

2-5-6 فراموشی 14

2-5-7 بیماری عروق قلبی 14

2-5-8 سکته (حمله) قلبی 15

2-5-9 بیماری عروق محیطی 15

2-6 شیوه های درمان فشار خون بالا 15

2-7 برخی داروهای پایین آورنده فشار خون 16

فصل سوم استفاده از الگوریتم ژنتیك در تنظیم پارامترهایكنترلر PID 17

3-1 مقدمه 17

3-2 کنترلر PID 18

3-2-1 مقدمه 18

3-2-2 اجزای كنترلر 19

3-2-3 PID پیوسته 20

3-2-4 بهینه سازی کنترلر 20

3-2-5 مشخصات کنترلر های تناسبی-مشتق گیر-انتگرالگیر 21

3-2-6 مثالی از تنظیم پارامترهای كنترلر PID 22

3-2-6-1 كنترل تناسبی 23

3-2-6-2 كنترل تناسبی – مشتق گیر 24

3-2-6-3 كنترل تناسبی – انتگرالی 25

3-2-6-4 اعمال كنترلر PID 26

3-3 الگوریتم ژنتیک 27

3-3-1 مقدمه 27

3-3-2 تاریخچه الگوریتم ژنتیك 28

3-3-3 زمینه های بیولوژیكی 29

3-3-4 فضای جستجو 30

3-3-5 مفاهیم اولیه در الگوریتم ژنتیک 31

3-3-5-1 اصول پایه 31

3-3-5-2 شمای کلی الگوریتم ژنتیک 31

3-3-5-3 کد کردن 32

3-3-5-4 کروموزوم 32

3-3-5-5 جمعیت 33

3-3-5-6 مقدار برازندگی 33

3-3-5-7 عملگر برش 34

3-3-5-8 عملگر جهش 36

3-3-6 مراحل اجرای الگوریتم ژنتیک 38

3-3-7 همگرایی الگوریتم ژنتیك 43

3-3-8 شاخص های عملكرد 44

3-3-8-1 معیارITAE 44

3-3-8-2 معیار IAE 44

3-3-8-3 معیار ISE 44

3-3-8-4 معیار MSE 45

3-4 تنظیم پارامترهای كنترلر PID با استفاده از الگوریتم ژنتیك 45

3-4-1 تاریخچه 46

3-4-2 نحوه تنظیم پارامترهای كنترلر PID با استفاده از الگوریتم ژنتیك 46

3-5 مدل سازی ریاضی سیستم تنظیم فشار خون 47

3-5-1 مقدمه 47

3-5-2 مدل های دینامیكی توسعه داده شده 48

3-5-2-1 مدل اول 48

3-5-2-2 مدل دوم 49

3-5-2-3 مدل سوم 50

3-5-2-4 مدل چهارم 52

3-6 پیاده سازی سیستم تحویل دارو برای تنضیم فشارخون 53

فصل چهارم الگوریتمهای هم تكاملیهم كارانه 55

4-1 مقدمه 55

4-1-1 مفهوم هم تكاملی در طبیعت 55

4-1-2 الگوریتم های هم تكاملی ( CEAs) 56

4-2 تاریخچه 57

4-3 چرا از الگوریتمهای هم تكاملی استفاده می كنیم؟ 58

4-3-1 فضای جستجوی بزرگ یا نامحدود 59

4-3-2 عدم وجود یا مشكل بودن بیان ریاضی معیار مطلق برای ارزیابی افراد 60

4-3-3 ساختارهای پیچیده و یا خاص 61

4-4 معایب هم تكاملی 62

4-5 طبقه بندی الگوریتم های هم تكاملی 64

4-5-1 ارزیابی 64

4-5-1-1 كیفیت و چگونگی Payoff 66

4-5-1-2 روش های اختصاص برازندگی 66

4-5-1-3 روش های تعامل بین افراد 67

4-5-1-4 تنظیم زمان به هنگام سازی 68

4-5-2 نحوه نمایش 69

4-5-2-1 تجزیه مسأله به اجزای كوچكتر 69

4-5-2-2 توپولوژی فضایی 69

4-5-2-3 ساختار جمعیت 69

4-6 چهارچوب كلی الگوریتم هم تكاملی همكارانه 70

4-7 مقاوم بودن در الگوریتم های هم تكاملی هم كارانه 70

4-8 تئوری بازیهاوتحلیل الگوریتم هم تكاملی براساس مفاهیم تئوری بازی تكاملی72

4-9 زمینه های كاربرد الگوریتم های هم تكاملی 75

فصل پنجم شبیه سازی ها و نتایج 78

5-1 مقدمه 78

5-2 كنترل بهینه فشارخون حین عمل جراحی توسط الگوریتم ژنتیك 78

5-2-1 شبیه سازی سیستم كنترل اتوماتیك فشارخون باكنترلر PID والگوریتم ژنتیك 79

5-2-1-1 انتخاب مدل ریاضی 79

5-2-1-2 انتخاب كنترلر 80

5-2-1-3 انتخاب تابع برازندگی برای الگوریتم ژنتیک 81

5-2-1-4 اعمال کنترلر و عمل کردن الگوریتم ژنتیک 82

5-2-2 نتایج شبیه سازی 84

5-2-3 پاسخ های حاصل از اجرای برنامه شبیه سازی شده 85

فصل ششم نتیجه گیری و پیشنهادات 88

6-1 نتیجه گیری 88

6-2 پیشنهادات 89

مراجع 90

فهرست شكل ها

شكل 3-1 شمای كلی كنترلر PID 19

شكل 3-2 مثالی از تنظیم پارامترهای كنترلر PID 22

شكل 3-3 پاسخ پله سیستم حلقه باز 23

شكل 3-4 پاسخ پله واحد سیستم حلقه بسته با كنترلر تناسبی 24

شكل 3-5 پاسخ پله واحد سیستم حلقه بسته با كنترلر PD 24

شكل 3-6 پاسخ پله واحد سیستم حلقه بسته با كنترلر PI 25

شكل 3-7 پاسخ پله واحد سیستم حلقه بسته با كنترلر PID 26

شكل 3-8 : تبدیل فنوتیپ ها به ژنوتیپ ها وبالعكس 29

شكل 3-9 نمونه ای از فضای جواب 30

شكل 3-10 نمایش یك كروموزوم n بیتی در پایه عددی m 33

شكل 3-11 عمل برش تك نقطه ای 35

شكل 3-12 : عمل برش چند نقطه ای 35

شكل 3-13 عمل برش یكنواخت 36

شكل 3-14 عمل جهش 37

شكل 3-15 مراحل اجرای الگوریتم ژنتیك 39

شكل 3-16 مدل چرخ رولت 40

شكل 3-17 بلوك دیاگرام سیستم كنترل با كنترلر 53

شکل 4-1 سلسله مراتب طبقه بندی ویژگی های یك الگوریتم هم تكاملی 65

شکل4-2 الگوریتم هم تكاملی هم كارانه ترتیبی خلاصه شده 71

شکل 4-3 ماتریس امتیازدهی 74

شكل 5-1 شمای كلی سیستم 79

شكل 5-2 فلوچارت سیستم كنترل فشارخون 83

شکل 5-3 شبیه سازی کنترلر PID 84

شکل 5-4 شبیه سازی سیستم کنترل فشارخون 84

شكل 5-5 مقدار برازندگی ها در هر نسل 86

شكل 5-6 ضرایب كنترلرPID 86

شكل 5-7 خروجی سیستم در حالتی كه فشار از حالت مطلوب بیشتر است 87

شكل 5-8 خروجی سیستم در حالتی كه فشار از حد مطلوب كمتر است 87

فهرست جداول

 جدول 3-1 اثرات كنترلرهای ، ، 21

جدول 3-2 نمونه ای از عمل جهش 37

جدول 3-3 انتخاب كروموزوم ها با استفاده از مدل چرخ رولت 41

جدول 3-4 محدوده پارامترهای مدل دینامیكی سیستم فشارخون 51

جدول 3-5 مقادیر تعیین شده برای پارامترهای مدل 52

جدول 3-6 مقادیر پارامترهای فرمول رابطه بین تغییرات فشارخون و سرعت تزریق دارو53

جدول 5-1 انتخاب عدد مناسب برای پارامترهای مدل فشارخون 80