摘要:本文主要阐述了微波治疗仪的控制系统的设计。利用硬件超调自动保护电路和模糊P工D控制技术对医用微波治疗仪功率控制系统进行了设计，并简要介绍了该仪器的原理及功能。并在对系统进行推导仿真的基础上，制作了样机，该样机具有动态响应快，控制精度高的优点，具有较高的应用价值和推广价值。
1引言
微波治疗是临床上一种新的治疗手段，利用微波在人体产生的热对患者的病变部位进行辐射，从而达到治疗目的。
微波管的输出容易受到电网电压、工作温度和其自身稳定性等多方面的影响，在大范围内存在非线性、滞后等特点，对于这种复杂的系统，传统的PID控制效果并不理想，并且存在参数调整不方便、抗干扰能力差、超调量大等缺点[1一2]。本文采用了传统的PID控制策略和模糊控制相结合的一种新的智能控制方法，通过协调因子来控制它们在输出中所占的权重，在系统偏差较大时，侧重于模糊控制，提高系统的响应速度;系统偏差较小时，侧重于模糊PID控制，提高系统的控制精度。同时利用模糊控制的思想对PID调节参数进行了整定，使得PID调节可根据不同的偏差情况做相应的调整。
2系统组成及控制原理
利用微波致热效应治疗原理，把生物体置于微波辐射场中完成治疗过程。仪器主要由高压开关电源、磁控管、线性电源、波导、微波探头、传感器和微控制器等组成[3]微波治疗仪的系统原理框图如图1所示。
2.1硬件保护策略
微控制器用来控制整个系统的正常运行。正弦交流电在过零点向系统申请中断，表示可以触发可控硅和继电器，合适的触发角则由系统控制，以达到所要求的功率[2.4]。功率传感器采集磁控管的输出，用来监测输出功率值，组成一个闭环控制系统。同时传感器的输出端还连在硬件保护电路上，如果控制系统出现故障，输出不受控制，则由硬件保护电路强行关断输出，增强系统的可靠性。
2.2软件控制策略
微波管的输出是一个非线性、时变的复杂系统[5.6]，选用模糊控制和PID控制相结合的方法，在控制上既有PID控制精度高、稳定性好的优点，又有模糊控制响应快的特点，软件系统的控制策略图如图2所示。由图可见，系统的输出由模糊控制的输出和PID控制的输出共同决定。系统的输出可以用以下方程来描述:
3功率控制器的设计
3. 1模糊控制器的结构
在这里我们选择微波功率偏差e，和偏差率ec作为模糊控制器的输人语言变量E和Ec，选取触发时间t作为模糊控制器的输出语言变量U，构成一个双输人单输出的模糊控制器。
3.2控制规则
根据医生的经验和模糊控制理论，可以将模糊控制规则作如下描述。
1)在系统偏差较大时，应取较小的a;系统偏差较小时，应取较大的a[7.8]
2)系统偏差较大时，为加快系统响应速度应取较大Kp;同时为避免开始时e的瞬时变大可能出现的微分过饱和而使控制作用超出许可范围，应取较小Kp;为防止出现较大超调，产生积分饱和，应对积分加以限制，取Ki为零。
3)系统偏差和偏差率中等大小时，为使系统其有较小的超调，Kp应取小一些;Ki取值要大一些，Kd要大小适中，以保证系统响应速度。
4)系统偏差较小，即接近设定值时，为使系统有良好的稳态性能，应增加Kp, Ki取值，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统抗干扰性能，当偏差率较大时，Kp可取小一些;偏差较小时，Kd取大一些。
3功率控制器的设计
3. 1模糊控制器的结构
在这里我们选择微波功率偏差e，和偏差率ec作为模糊控制器的输人语言变量E和Ec，选取触发时间t作为模糊控制器的输出语言变量U，构成一个双输人单输出的模糊控制器。
3.2控制规则
根据医生的经验和模糊控制理论，可以将模糊控制规则作如下描述。
1)在系统偏差较大时，应取较小的a;系统偏差较小时，应取较大的a[7.8]
2)系统偏差较大时，为加快系统响应速度应取较大Kp;同时为避免开始时e的瞬时变大可能出现的微分过饱和而使控制作用超出许可范围，应取较小Kp;为防止出现较大超调，产生积分饱和，应对积分加以限制，取Ki为零。
3)系统偏差和偏差率中等大小时，为使系统其有较小的超调，Kp应取小一些;Ki取值要大一些，Kd要大小适中，以保证系统响应速度。
4)系统偏差较小，即接近设定值时，为使系统有良好的稳态性能，应增加Kp, Ki取值，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统抗干扰性能，当偏差率较大时，Kp可取小一些;偏差较小时，Kd取大一些。
3.3模糊变量的赋值表
功率的偏差为给定功率与检测功率之间的差值，根据医生经验，将功率偏差值[一l0,+l0]的范围设为模糊控制区。在控制区内，将功率偏差分为8个模糊状态，论域分为14个分点，根据三角形隶属函数确定功率偏差E的赋值表。如表2所示，偏差的论域为一6一+6;A1一A8为E的语言变量值。
3.3模糊变量的赋值表
功率的偏差为给定功率与检测功率之间的差值，根据医生经验，将功率偏差值[一l0,+l0]的范围设为模糊控制区。在控制区内，将功率偏差分为8个模糊状态，论域分为14个分点，根据三角形隶属函数确定功率偏差E的赋值表。如表2所示，偏差的论域为一6一+6;A1一A8为E的语言变量值。
3.4控制系统的输出[7]
3.4控制系统的输出[7]
其中，R为模糊关系矩阵;E为偏差模糊状态的隶属度值;EC为偏差变化率模糊状态的隶属度值;U2为输出控制模糊值。
系统总输出U =aU1+(1-a)U2
根据上述模糊控制规则，采用最大隶属度法，将控制量由模糊量变为精确量。
4结束语
本文提出的微波功率的控制方案从根本上解决了微波输出功率的失调问题。能在控制系统出现故障时，硬件保护电路动作，关断输出，从根本上控制系统的安全性能。软件控制策略采用了模糊控制和PID控制融合的方法，既有PID控制精度高、稳定性好的优点，又有模糊控制响应快的特点。并在对系统进行推导仿真的基础上，制作了样机，该样机已在徐州市中心医院肿瘤科临床治疗投人使用。该样机具有动态响应快，控制精度高的优点，克服了微波功率控制中非线性，滞后，时变等带来的困难。具有较高的应用价值和推广价值。
参考文献:
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[7]郭建波，周剑利.模糊PID混合控制系统在加热炉中的应用〔J].微计算机信息，2005(9):96-98
[8]潘祥亮，罗利文.模糊PID控制在工业锅炉控制系统中的应用[[J1.微计算机信息，2004(7);1-2
作者简介:王必旺(1982-)男，硕士研究生，主要从事自动控制系统的研究。
