فشارخون بالا زمانی ایجاد می شود که فشارخون در دیواره رگ ها بیش از حد معمول بالا رود که این وضعیت بسیار خطرناک 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 پروژه، 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 کلیدیتنظیم اتوماتیک فشارخون ، کنترلر PID ، الگوریتم ژنتیک ، تنظیم پارامترهای کنترلر PID با الگوریتم ژنتیک
امروزه کنترل اتوماتیک ، نقش مهمی در پزشکی مدرن ایفا می نماید . از کاربردهای کنترل در پزشکی ، سیستم های تزریق انسولین[1،2] ، کنترل تنفس[3،4] ، قلب مصنوعی[5،6] و کنترل اندام های مصنوعی[7] را میتوان نام برد.
از دیگر کاربردهای مهم و حیاتی کنترل در پزشکی ، کنترل فشار خون است . بطور ساده می توان گفت ، فشار خون متناسب با برون ده قلبی و مقاومت رگ ها است ، لذا برای کاهش فشار خون در فشار خون بالا می توان ، برون ده قلبی و یا مقاومت رگی را کاهش داد.[8] روش معمول برای کاهش فشار خون ، کم کردن مقاومت رگی ، از طریق تزریق داروهای بازکننده رگ است .
داروی کاهنده فشار خون مورد استفاده در این پایان نامه ، داروی سدیم نیترو پروساید[1] است که از طریق مهار پیام عصبی از گره های سمپاتیک و پاراسمپاتیک فشارخون را کاهش می دهد . [9،10]
می توان گفت ، یکی از مهمترین عوامل در عمل جراحی کنترل فشارخون است .[11] زیرا در این حالت افزایش فشارخون ممکن است ، به خونریزی شدید و حتی مرگ بیمار منجر گردد . به طور کلی ، می توان کنترل فشار خون در عمل جراحی را به دو دسته کلی کنترل فشار در حین عمل جراحی و بعد از عمل جراحی تقسیم بندی نمود .
کنترل فشار خون بعد از عمل جراحی ، معمولاً در بیماران قلبی که عمل بای پس عروق کرونری[2] داشته اند انجام می گیرد ،[12،13] زیرا در این بیماران خطر افزایش فشار خون وجود دارد .کنترل فشار خون در حین عمل جراحی از اهمیت ویژه ای برخوردار است ، از دلایل آن می توان به کاهش خون ریزی داخلی ، آشکارسازی جزئیات ساختارهای آناتومی بدن که ممکن است توسط خونریزی محو شده باشند و همچنین تسریع و تسهیل در عمل جراحی ، اشاره کرد .[14]
محققین زیادی در رابطه با کنترل فشار خون به تحقیق پرداخته اند . در اواخر دهه ۱٩٧٠ سیستم های کنترل فشارخون گسترش زیادی یافتند . شپارد[3] [15] یک کنترل کننده PID را برای کنترل فشار خون بکار برد ، ولی این کنترل کننده نتوانست نسبت به اختلافات جزئی پاسخ به داروهای هایپوتنسیو عملکرد خوبی داشته باشد . استفاده از کنترل تطبیقی توسط ویدرو[4] [16] ، آنسپارگر[5] و همکارانش[17] بررسی شد ، ولی این روش نیز نسبت به اغتشاشهای موجود ، کارایی خوبی نداشت . کویوو[6] [18]، سیستم کنترل فشار خونی را در یک سطح پایین نگه می داشت ولی محدوده فشارخونی که می تواست به عنوان مرجع در نظر گرفته شود ، کم بود . فوکوی[7] و ماسوزاوا[8] [19] از منطق فازی برای کنترل فشار خون استفاده کردند ، بطوریکه فشار خون را در یک سطح بالا ، برای بعضی کاربردهای پزشکی ، کنترل می نمودند ولی نوسانات به سادگی در پاسخ ظاهر می شدند ، زیرا وجود زمان مرده در پاسخ را در مرحله طراحی در نظر نگرفته بودند .[47]
الگوریتم ژنتیک ، یک روش بهینه سازی تصادفی است که ایده اولیه آن از مکانیسم انتخاب طبیعی و ژنتیک تکاملی گرفته شده است ،[20] این روش بهینه سازی با روش جستجوی موازی از مؤثرترین روش های بهینه سازی است .
در این پروژه ، با استفاده از الگوریتم ژنتیک و الگوریتم های هم تکاملی هم کارانه ، کنترل کننده PID بهینه برای کنترل فشارخون حین عمل جراحی طراحی گردیده است . با استفاده از این روش ، می توان سطح فشار خون را در سطح دلخواه با خطای حالت ماندگار صفر تنظیم نمود .
در فصل دوم این پایان نامه ، در رابطه با فشار خون و روش های درمان پزشکی آن صحبت خواهد شد . فصل سوم به بررسی کنترلر PID و الگوریتم ژنتیک و مدل های ریاضی موجود برای سیستم فشارخون و همچنین تنظیم پارامترهای کنترلر PID با استفاده از الگوریتم ژنتیک ، اختصاص داده می شود . در فصل چهارم الگوریتم های هم تکاملی هم کارانه و استفاده از آن ها برای تنظیم پارامترهای کنترلر PID مورد بحث قرار خواهد گرفت . در فصل پنجم نتایج به دست آمده از شبیه سازی سیستم فشار خون و طراحی کنترلر آن مورد مطالعه قرار گرفته و در نهایت در فصل ششم ، نتایج بدست آمده از این تحقیق بیان شده و پیشنهاداتی برای مطالعات آینده ارائه خواهد گردید .
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 12
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 ژنتیک در تنظیم پارامترهای کنترلر PID
3-1 مقدمه 17
3-2 کنترلر PID
3-2-1 مقدمه 18
3-2-2 اجزای کنترلر 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 کنترلر PID
3-2-6-1 کنترل تناسبی 23
3-2-6-2 کنترل تناسبی – مشتق گیر 24
3-2-6-3 کنترل تناسبی – انتگرالی 25
3-2-6-4 اعمال کنترلر PID
3-3 الگوریتم ژنتیک 27
3-3-1 مقدمه 27
3-3-2 تاریخچه الگوریتم ژنتیک 28
3-3-3 زمینه های بیولوژیکی 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 ژنتیک 43
3-3-8 شاخص های عملکرد 44
3-3-8-1 معیارITAE
3-3-8-2 معیار IAE
3-3-8-3 معیار ISE
3-3-8-4 معیار MSE
3-4 تنظیم پارامترهای کنترلر PID با استفاده از الگوریتم ژنتیک 45
3-4-1 تاریخچه 46
3-4-2 نحوه تنظیم پارامترهای کنترلر PID با استفاده از الگوریتم ژنتیک 46
3-5 مدل سازی ریاضی سیستم تنظیم فشار خون 47
3-5-1 مقدمه 47
3-5-2 مدل های دینامیکی 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 تکاملی هم کارانه 55
4-1 مقدمه 55
4-1-1 مفهوم هم تکاملی در طبیعت 55
4-1-2 الگوریتم های هم تکاملی ( CEAs)
4-2 تاریخچه 57
4-3 چرا از الگوریتمهای هم تکاملی استفاده می کنیم؟ 58
4-3-1 فضای جستجوی بزرگ یا نامحدود 59
4-3-2 عدم وجود یا مشکل بودن بیان ریاضی معیار مطلق برای ارزیابی افراد 60
4-3-3 ساختارهای پیچیده و یا خاص 61
4-4 معایب هم تکاملی 62
4-5 طبقه بندی الگوریتم های هم تکاملی 64
4-5-1 ارزیابی 64
4-5-1-1 کیفیت و چگونگی Payoff
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 کوچکتر 69
4-5-2-2 توپولوژی فضایی 69
4-5-2-3 ساختار جمعیت 69
4-6 چهارچوب کلی الگوریتم هم تکاملی همکارانه 70
4-7 مقاوم بودن در الگوریتم های هم تکاملی هم کارانه 70
4-8 تئوری بازیهاوتحلیل الگوریتم هم تکاملی براساس مفاهیم تئوری بازی تکاملی 72
4-9 زمینه های کاربرد الگوریتم های هم تکاملی 75
فصل پنجم شبیه سازی ها و نتایج 78
5-1 مقدمه 78
5-2 کنترل بهینه فشارخون حین عمل جراحی توسط الگوریتم ژنتیک 78
5-2-1 شبیه سازی سیستم کنترل اتوماتیک فشارخون با کنترلر PID والگوریتم ژنتیک 79
5-2-1-1 انتخاب مدل ریاضی 79
5-2-1-2 انتخاب کنترلر 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
شامل 100 صفحه فایل word قابل ویرایش
دانلود پروژه کنترل اتوماتیک فشارخون با استفاده از کنترلر PID و تنظیم پارامترهای آن توسط الگوریتم ژنتیک
