بخشی از مقاله
چکیده
درمان توسط اتاقکهای هایپرباریک نوع خاص و ویژهای از روشهای درمانی است که در آن بیمار در داخل یک اتاقک، در معرض اکسیژن خالص و در فشاری بالاتر از فشار جو قرار میگیرد. به این ترتیب، غلطت اکسیژن محلول در خون و همچنین روند اکسیژن رسانی به بافتها سریعتر میشود. مهمترین پارامتری که در اتاقکهای هایپرباریک باید کنترل شود، فشار اکسیژن در داخل اتاقک است. چرا که پارامترهایی مانند دما، کیفیت شیرها و بقیه عوامل مؤثر، بر روی فشار سیستم تاثیرگذار هستند؛ بنابراین فشار اکسیژن در داخل اتاقک، مهمترین پارامتر تحت کنترل بیان میشود.
از این روی، در این مقاله، یک سیستم کنترل حلقه بسته برای کنترل فشار اکسیژن در دستگاه هایپرباریک طراحی شده است. در سیستم کنترل ارائه شده، از یک کنترل کننده تناسبی -انتگرالی-مشتقی به عنوان یک کنترل کننده کلاسیک، استفاده شده است. اما برخلاف روشهای معمول، پارامترهای کنترل کننده ثابت نیستند و بهصورت پیوسته بهینه میشوند. این پارامترها توسط یک سیستم منطق فازی بهینه میشوند که خطای پسخوردی خروجی سیستم و مشتق آن، دادههای ورودی آن را تشکیل میدهند.
کارائی کنترل کننده فازی- تناسبی- انتگرالی- مشتقی با کارائی کنترل کنندههای فازی- تناسبی- انتگرالی و فازی- تناسبی- مشتقی مقایسه شده است. ارزیابیها روی مدلی از سیستم هاپرباریک انجام شدند. طبق نتایج، بهترین کارائی در شرایطی مشاهده شده است که از کنترلکننده فازی-تناسبی-انتگرالی استفاده شده است. میزان خطای ماندگار محاسبه شده خروجی، در محدودهای بین -0/022 تا 0/005 بار، بوده است. این نتایج در مقایسه با کارهای مشابه پیشین، قابل قبولی هستند.
مقدمه
طبق تعریف انجمن پزشکی هایپرباریک و طب دریاییٌ آمریکا، اکسیژن هایپرباریکٍ، یک روش درمانی است که در آن بیمار در یک محفظه بسته، در معرض اکسیژن خالص و در فشاری بالاتر از فشار سطح دریا قرار میگیرد - . - de Paco et al.,2012 تا دهه 1960 میلادی، کاربردهای اتاقهای هایپرباریک منحصر به درمان بیماریهای غواصان بود که از مهمترین آنها میتوان به بیماری دیکامپرشنَ و آمبولی گازی شریانُ مغزی اشاره نمود. اما به تدریج کاربردهای جدیدی در عرصه پزشکی در درمان بیماریهاییکه بعضاً درمان آنها بسیار دشوار بود شناخته شد که تحت عنوان هایپرباریک اکسیژن تراپیِ به تدریج متداول گردید
تأثیر درمان با اکسیژن پرفشار به یک قاعده کلی بستگی دارد. اکسیژن با اتصال گذرا به هموگلوبین گلبولهای قرمز، به سلولها و بافتها حمل میشود. در شرایط طبیعی، وقتی که هوا از طریق ریهها وارد خون میشود هموگلوبین تقرباًی %100 با اکسیژن اشباع میشود. اما صدمات یا بیماریها ممکن است روند فوق را با محروم کردن سلولها و بافتها از تمام یا بخشی از اکسیژن، دچار اخلال کند. در چنین شرایطی، برای تأمین اکسیژن مورد نیاز بدن، فشار طبیعی اتمسفریک به اندازه کافی توانایی ندارد.
اگرچه هموگلوبین میزان بیشتری از اکسیژن را جذب نمیکند اما اکسیژن پرفشار، پلاسمای خون - که حجم عمدهای از خون را تشکیل میدهد - را از اکسیژن اشباع نموده و در نتیجه تحویل اکسیژن به بافتها و سلولها افزایش مییابد. در مقایسه با هوا که %21 اکسیژن، در فشار یک اتمسفر دارد، %100 اکسیژن در فشار سه اتمسفر غلظت اکسیژن پلاسمای خون را 10 تا 15 برابر افزایش میدهد که منجر به افزایش اکسیژن رسانی بافتها میشود. علاوه بر افزایش اکسیژنرسانی خون، اکسیژن حمل شده به بدن در شرایط فشار مناسب، باعث میشود که به میزان زیادی توانایی گلبولهای سفید در کشتن باکتریها و برطرف کردن عفونت افزایش یابد
اکثر برنامههای درمانی در دستگاه هایپرباریک از سه مرحله افزایش فشار، ثابت نگه داشتن فشار و کاهش فشار تشکیل شدهاند. مهمترین مرحله، مرحله افزایش فشار است؛ زیرا در صورت عدم افزایش فشار با الگوی مناسب، بدلیل تغییر در حجم گوش میانی باعث آسیب رسیدن به گوش میشود . اگر در طول دوره درمان فشار ثابت نباشد و یا به عبارتی فشار همراه با نوسان باشد، باعث میشود تا بیمار درد شدیدی را احساس کند و در نفس کشیدن دچار مشکل شود. همچنین در طول درمان بعضی از بیماران بدحال نیاز به تهویه، نظارت بر فشار خون و یا استفاده از داروهای تزریقی بصورت اتوماتیک دارند. برای این منظور، احتیاج به تثبیت کامل فشار، بدون نوسان است
با توجه به این موارد و موارد مشابه دیگر لزوم استفاده از استراتژیهای کنترل حلقه بسته، به منظور ارتقاء عملکرد سیستم احساس میشود. بر اساس مطالب بیان شده کنترل کنندههای مختلفی برای دستگاه هایپرباریک طراحی شدهاند. از جمله: کنترل کننده فازی ّ که با توجه به غیرخطی بودن - - Yuan et al., 2006 و عملکرد مناسب آن در فازهای افزایش و کاهش فشار، در فاز ثابت نگه داشتن فشار دارای ضعف بود. همچنین کنترل کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقیْ نیز یک کنترل کننده خطی است که بر اساس یک مدل دقیق که از سیستم بدست میآید، طراحی میشود - - Åström & Hägglund, 1995; de Paco et al.,2012 ، لذا توانایی سازگاری با تغییرات و اختلالات پیش بینی نشده را نداشت و بر اساس یک مدل ایدهآل طراحی شده بود.
با توجه به نقاط ضعف بیان شده، تصور میشود که اگر بتوان الگوی سیستمهای منطق فازی و سیستمهای کنترلکننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی را باهم ترکیب کرد؛ بهنوعی که سیستم منطق فازی نقش تنظیمکننده پارامترهای کنترلکننده تناسبی -انتگرالی-مشتقی را داشته باشد، میتوان نقاط ضعف تحقیقات پیشینیان را برطرف کرد و یا حداقل آنها را بهبود داد. از این روی هدف اصلی این پژوهش، طراحی یک کنترل کننده تناسبی -انتگرالی-مشتقی غیر خطی با استفاده از ترکیب روش سیستم منطق فازی و کنترل کننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی برای کنترل فشار در دستگاه هایپرباریک است. از آن جاییکه ترکیب سیستمهای منطق فازی و کنترلکننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی به منظور کنترل فشار در دستگاه هایپرباریک تا بحال مورد استفاده و تحقیق قرار نگرفته است؛ میتوان آنرا جنبه نوآوری اصلی این پژوهش ذکر نمود.
مواد و روشها
در شکل1 ساختار کنترلکننده پیشنهادی نشان داده شده است. بر اساس این شکل، سیستم تنظیم کننده فازی با استفاده از سیگنال خطا و مشتق خطا، ضرایب کنترلکننده تناسبی-انتگرالی-مشتقی را تنظیم میکند؛ سپس، این کنترلکننده تناسبی-انتگرالی -مشتقی است که سیگنال کنترلی را تولید مینماید. این سیگنال کنترلی تولید شده در اختیار سیستم دستگاه هایپرباریک قرار گرفته و از خروجی آن که فشار داخل اتاقک است، فیدبک گرفته میشود. باید در اینجا ذکر کرد که سیستم دستگاه هایپرباریکی که در این مقاله از آن استفاده شدهاست، شبیهسازی شده است.
مزیت مدل مورد استفاده در این مقاله، نسبت به مدلهای مورد استفاده توسط پیشینیان را میتوان اینطور بیان کرد که در این مدل اختلال در فشار مخزن اکسیژن در ورودی اتاقک، تغییرات دمایی، تغییر در حجم اتاقک و همچنین کیفیت و عملکرد شیرها را که توسط ضریب تخلیه شیر بیان میشود را میتوان در مدل دخیل کرد؛ و یا حتی آنها را در طول عملیات دستگاه تغییر داد. بنابراین میتوان اغتشاشاتی را به مدل اعمال کرد و در واقع رفتار آنرا به دستگاه واقعی شبیهتر نمود. از این روی، این مسئله را میتوان به عنوان مزیت بزرگی برای مدل انتخاب شده درنظر گرفت.
شکل:1 ساختار کنترلکننده فازی تناسبی-انتگرالی-مشتقی خود تنظیم پیشنهادی
در ادامه، شبیهسازی قسمتهای مختلف دستگاه هایپرباریک، از جمله اتاقک و شیرها و همچنین مراحل طراحی قسمتهای مختلف کنترلکننده پیشنهادی، بطور کامل بیان شده است.
مدلسازی اتاقک دستگاه هایپرباریک
ایده مدل مورد استفاده در این مقاله برای اتاقک هایپرباریک بر اساس معادلات حاکم بر مخزنهای حجم ثابت پنوماتیکی انتخاب شد. این مدل بر مبنای گازهای ایدهآل و گرمای ویژه ثابت طراحی شده است. معادلهای که برای نمایش اتاقک هایپرباریک استفاده میشود، بصورت معادله 1 است.
در معادله 1، G نرخ جریان در ورودی اتاقک برحسب ، V حجم اتاقک برحسب 3 ، P فشار مطلق در داخل اتاقک برحسب ، R ثابت ویژه گاز و T دمای مطلق گاز برحسب است. در مدل بهکار گرفته شده دما - T - در محدودهای بین 293/15 و 303/15 درجه کلوین، متغیر است. مقدار ثابت ویژه گاز - - R، 259/8 و حجم اتاقک - - V، 2 متر مکعب در نظر گرفته شده است.
مدلسازی شیرهای ورودی و خروجی اتاقک دستگاه هایپرباریک
معادلهای که برای نمایش اتاقک هایپرباریک استفاده میشود، بصورت معادله 2 است. در این مدل مساحت روزنه شیر توسط سیستم کنترلی محاسبه شده و سپس در اختیار شیر قرار میگیرد.
در رابطه 2، G نرخ جریان عبوری برحسب ، Cd ضریب تخلیه شیر، A مساحت روزنه شیر برحسب 2، Pi و Po فشار مطلق در سمت ورودی و خروجی شیر برحسب ، نسبت گرمای ویژه در فشار ثابت و حجم ثابت، R ثابت ویژه گاز و T هم دمای مطلق گاز برحسب است. در این مدل اگر مساحت روزنه شیر توسط کنترلکننده کمتر از صفر محاسبه شود، مساحت بر روی مقدار صفر اشباع میشود و دیگر تغییری نمیکند. همچنین در این مدل، مقدار ثابت ویژه گاز - - ، 259/8 در نظر گرفته شده است
