[发明专利]基于模糊自适应PID控制的磁纳米粒子产热优化方法

权利要求书

1.一种基于模糊自适应PID控制的磁纳米粒子产热优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：构建生物组织的几何模型；

步骤S2：基于生物组织的几何模型，构建Pennes生物传热模型，并预测生物组织内的温度分布；

步骤S3：通过PID算法控制交变磁场加热功率；

步骤S4：基于PID控制交变磁场加热功率，判断区域最高温度是否收敛于设定值，若不是则利用模糊控制器对PID算法的参数进行整定，是则跳转至步骤S5；

步骤S5：将整定后的参数用于PID算法中并输出优化后的温度控制曲线。

2.根据权利要求1所述的基于模糊自适应PID控制的磁纳米粒子产热优化方法，其特征在于，所述生物组织的几何模型由一个圆和一个椭圆构成，其中，半径为R₁的圆代表第一组织区域，长轴为a、短轴为b的椭圆代表第二组织区域，其中第一组织区域包含在第二组织区域中。

3.根据权利要求1所述的基于模糊自适应PID控制的磁纳米粒子产热优化方法，其特征在于，所述Pennes生物传热模型为：

其中，ρ、c、T、k分别表示组织的密度、比热容、绝对温度、热传导系数，ω_b、ρ_b、c_b、T_b分别表示血液灌注率、血液密度，血液比热容、血液温度，t表示磁纳米粒子在交变磁场的作用下的加热时间，符号表示哈密顿算子，Q_m表示单位体积的代谢热量，α表示功率耗散的校正系数，P表示功率耗散。

4.根据权利要求3所述的基于模糊自适应PID控制的磁纳米粒子产热优化方法，其特征在于，所述预测生物组织内的温度分布，具体为：设置组织区域的属性参数，并采用有限元的方法求解Pennes生物传热模型，其中，组织区域参数包括组织的密度、比热容、导热系数。

5.根据权利要求1所述的基于模糊自适应PID控制的磁纳米粒子产热优化方法，其特征在于，所述PID算法的控制方程为：

error(t)＝y_d(t)-y(t)

其中，error(t)表示设定温度y_d(t)与实际输出温度y(t)之间的差值，u(t)表示PID控制方程，k_p表示比例系数，k_i表示积分时间常数，k_d表示微分时间常数。

6.根据权利要求1所述的基于模糊自适应PID控制的磁纳米粒子产热优化方法，其特征在于，所述所述步骤S4具体包括以下步骤：

步骤S41：给定PID控制的初始参数k_p、k_i、k_d；

步骤S42：求误差error(t)和误差的导数

步骤S43：确定输入隶属度函数，对误差error(t)和误差的导数进行模糊化；

步骤S44：确定模糊规则，对参数k_p、k_i、k_d进行模糊整定；

步骤S45：确定输出隶属度函数，对输出的模糊量解模糊得到精确量；

步骤S46：将k_p、k_i、k_d的初始值与步骤S45求得的精确值进行线性组合构成PID方程新的控制量，并将新的控制量带回PID控制方程，判断温度是否收敛于设定值；如果温度不收敛于设定值，则需要重复以上步骤直至温度收敛于设定值。

7.根据权利要求6所述的基于模糊自适应PID控制的磁纳米粒子产热优化方法，其特征在于，所述模糊化是将误差和误差的导数的大小通过语言形式描述，模糊子集为：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB},分别代表{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}。

8.根据权利要求6所述的基于模糊自适应PID控制的磁纳米粒子产热优化方法，其特征在于，所述去模糊化采用重心法求解模糊输出，其表达式为：

其中，z₀表示模糊控制器输出量解模糊后的精确值，μ_c(z_i)表示z_i的隶属度值，z_i为模糊控制量论域内的值。