تنظیم گلوکز خون با استفاده از کنترل مدلغزشی مرتبه کسری تطبیقی در بیماران دیابتی نوع 1

نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی برق، گروه کنترل، دانشگاه صنعتی همدان، همدان

2 استادیار، گروه کنترل، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه صنعتی همدان، همدان

10.22041/ijbme.2017.45503.1137

چکیده

بیماران دیابت نوع 1 نیاز به کنترل پیوسته و دقیق گلوکز خون دارند زیرا تولید و مصرف انسولین در بدن آنها دچار اختلال شده و در نتیجه سطح گلوکز خون افزایش می یابد. در این مقاله کنترل کننده های مدلغزشی مرتبه کسری و مدلغزشی مرتبه کسری تطبیقی برای پایداری مقاوم سطح گلوکز خون در بیماران دیابتی نوع 1 در حضور اغتشاشات متعدد و نامعینی های پارامتری پیشنهاد شده است. کنترل کننده های پیشنهادی بر اساس مدل مینیمال برگمن طراحی شده اند. ساختار کنترل کننده پیشنهادی برای ساخت پمپ های تزریق انسولین در کنترل حلقه بسته دیابت مناسب است و همچنین اثر چترینگ را حذف می کند. کنترل کننده مدلغزشی تطبیقی، کنترل کننده را در مقابل اغتشاشات و نامعینی ها حفاظت می کند و حسابان مرتبه کسری عملکرد مقاوم را فراهم می نماید. در نهایت نتایج با برخی روشهای دیگر از جمله کنترل کننده های مدلغزشی پسگام، مدلغزشی پسگام مرتبه کسری و نوعی دیگر از کنترل کننده مدلغزشی مرتبه کسری تطبیقی مقایسه می شود. شبیه سازی ها نشان می دهد که کنترل کننده پیشنهادی در حذف نامعینی ها و اغتشاشات موفق بوده و سیگنال کنترل با حذف چترینگ همراه است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Blood Glucose Regulation using Fractional Order Sliding Mode Control for Type 1 Diabetes Patients

نویسندگان [English]

  • Hamid Heydari Nejad 1
  • Hadi Delavari 2
1 MSC Student, Electrical Engineering Department, Hamedan University of Technology, Hamedan, Iran
2 Assistant Professor, Electrical Engineering Department, Hamedan University of Technology, Hamedan, Iran
چکیده [English]

The patients with Type 1 diabetes need strict blood glucose level control because the body’s production and use of insulin are impaired and hence this increases the blood glucose level. In this paper, a fractional order sliding mode control and an adaptive fractional order sliding mode control are proposed to regulate the blood glucose in the presence of the parameter variations and meal disturbance. The Bergman minimal model is used to design the proposed controllers. The proposed controllers are appropriate for making the insulin delivery pumps in closed loop control of diabetes. The proposed controllers attenuate the effect of chattering. The fractional adaptive sliding mode control makes the controller immune to disturbance and uncertainties and the fractional calculus provides robustness performance. Finally the results are compared with some other methods such as backstepping sliding mode control and fractional order sliding mode control methods. Simulation results show that the proposed controllers are able to reject both uncertainties and disturbance with a chattering free control law.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Blood glucose regulation
  • Bergman minimal model
  • Fractional calculus
  • sliding mode control
  • Lyapunov stability Theorem
  • Adaptive control
[1]     C. Wai Ting , C. Quek, "A Novel Blood Glucose Regulation Using TSK-FCMAC: A Fuzzy CMAC Based on the Zero-Ordered TSK Fuzzy Inference Scheme," Neural Networks, vol. 20, pp. 856-871, 2009.

[2]     محمد صادق اخیانی، حمید خالوزاده , "تنظیم بهینه گلوکز خون- انسولین بیمار دیابتی نوع 1 بر مبنای مدلهای غیرخطی تأخیردار," مجله کنترل شماره 8  ، صفحه 31-41 ، 1393 .

[3]     M. Goharimanesh, A. Lashkaripour , A. Abouei Mehrizi , "Fractional Order PID Controller for Diabetes Patients," Journal of Computational Applied Mechanics,  46,  69-76, 2015.

[4]     G. Marchetti, M. Barolo, L. Jovanovicy, H. Zissery,D. E. Seborg, "An Improved PID Switching Control Strategy for Type 1 Diabetes," IEEE Transactions on Biomedical Engineering,  55,  857 - 865, 2008.

[5]     K. Lunzea, T. Singhb, M. Waltera, M. D. Brendelc, S. Leonhardta, "Blood glucose control algorithms for type 1 diabetic patients:A methodological review," Biomedical Signal Processing and Control,  8, 107-119, 2013.

[6]     Sk. Faruque Ali, R. Padhi, "Optimal blood glucose regulation of diabetic patients using single network adaptive critics," Optimal Control Application and Methodes, 32,  196-214, 2009.

[7]     F. Allam,Z. Nossair, H. Gomma, I. Ibrahim,M. Abdelsalam, "Evaluation of Using a Recurrent Neural Network (RNN) and a Fuzzy Logic Controller (FLC) In Closed Loop System to Regulate Blood Glucose for Type-1 Diabetic Patients," I.J. Intelligent Systems and Applications, 10, 58-71, 2012.

  1. N’Doye, H. Voos, M. Darouach, Jochen G. Schneider, "Static Output Feedback H∞ Control for a Fractional-order Glucose-insulin System," International Journal of Control, Automation, and Systems,  13,  798-807, 2015.
[8]     F. León-Vargasa, F. Garellib, H. De Battistab, J. Vehía, "Postprandial blood glucose control using a hybrid adaptive PDcontroller with insulin-on-board limitation," Biomedical Signal Processing and Control,  8,  724-732, 2013.

  1. G.G. Herna´ndez ,L.Fridman, A. Levant , Y. Shtessel , RonLeder, "High-order sliding-mode control for blood glucose : Practical relative," Control EngineeringPractice 21, 747-758, 2013.
[9]     P. Kaveh , Yuri B. Shtessel, "Blood glucose regulation using higher-order sliding mode control," International Journal of Robust  and Nonlinear control,  25, 557-569, 2008.

[10] S. Taghian Dinani, M. Zekri, M. Kamali, "Regulation of Blood Glucose Concentration in Type 1 Diabetics Using Single Order Sliding Mode Control Combined with Fuzzy On-line Tunable Gain, a Simulation Study," Journal of Medical Signals and Sensors, 5, 131-140, 2015.

[11] H. Heydarinejad , H. Delavari, "Adaptive Fractional Order Sliding Mode Controller Design for Blood Glucose Regulation," in Theory and Applications of Non-integer Order Systems, Springer International Publishing, 2017, 449-465.

[12] H. Heydarinejad , H. Delavari, "Fractional Order Back Stepping Sliding Mode Control for Blood Glucose Regulation in Type I Diabetes Patients," in Theory and Applications of Non-integer Order Systems, Springer International Publishing, 2017,  187-202.

[13]  زینب تشکری زاده، نادیا نقوی، سید کمال حسینی ثانی, "تنظیم سطح گلوکز خون در بیماران مبتلا به دیابت نوع 1 به روش تطبیقی مدل مرجه و پیش بین اسمیت اصلح یافته," مهندسی پزشکی زیستی، شماره 8 ، صفحه 159-171 ، 1393

[14] N. Prabhu Balakrishnan, G. Pandu Rangaiah, Lakshminarayanan Samavedham, "Review and Analysis of Blood Glucose (BG) Models for Type 1 Diabetic Patients," Industrial & Engineering Chemistry Research,  50,  12041-12066, 2011.

[15] P. Palumbo, S. Ditlevsen, A. Bertuzzi, A. De Gaetano, "Mathematical modeling of the glucose–insulin system: A review," Mathematical Biosciences,  244 ,  69-81, 2013.

[16]  مینا امیری ، ادموند زاهدی ، فریدون بهینا, "مدل سازی خود رگرسیو تغییرات بخش ACسیگنال فوتو پلتیسموگرام پس از آزمون اتساع ناشی از جریان خون در افراد سالم و دیابتی," مهندسی پزشکی زیستی ،شماره 7 ، صفحه 85-95 ، 1392

[17]  علی فیاضی، حسین احمد نوبری، حسن فاتحی مرج, "همزمان سازی سیستم های مرتبه کسری آشوبی جنسیو تسی و کولت با استفاده از کنترل کننده تطبیقی مرتبه کسری," مجله کنترل ، 4، 1-11، 1390.

  1. Podlubny, Fractional differential equations, San diego, California: ACADEMIC PRESS, 1999.
[18] Changpin Li , Weihua Deng, "Remarks on fractional derivatives," Applied Mathematics and Computation, 187, 777-784, 2007.

[19] Y. Li ,Y. Chen Y, I. Podlubny, "Stability of fractional-order nonlinear dynamic systems: Lyapunov direct method and generalized Mittag Leffler stability.," Comput Math Application, 59,  1810-1821, 2010.

[20] N. Aguila-Camacho , M. A. Duarte-Mermoud , J. A. Gallegos, "Lyapunov functions for fractional order systems," Commun Nonlinear Sci Numer Simulat, 19, 2951-2957, 2014.

[21] Hadi Delavari ,Dumitru Baleanu , Jalil Sadati, "Stability analysis of Caputo fractional-order nonlinear systems revisited," Nonlinear Dynamics, 67,  2433-2439, 2011.

[22]  عابد خراسانی سرچشمه، عباس عرفانیان امیدوار, "کنترل تطبیقی فازی عصبی - لغزشی گام برداشتن با استفاده تحریک الکتریکی درون عضلانی," مهندسی پزشکی زیستی, شماره 5 ، صفحه 243 -256 ،.1390

[23] C. Yin, S. Dadras , S.M Zhong , Y.Q. Chen, "Control of a novel class of fractional-order chaotic systems via adaptive sliding mode control approach," Applied Mathematical Modelling, 37, 2469-2483, 2013.

[24] Hadi Delavari, "A novel fractional adaptive active sliding mode controller for synchronization of non-identical chaotic systems with disturbance and uncertainty," Int. J. Dynam. Control (2015). doi:10.1007/s40435-015-0159-0.

[25] "Back Stepping Sliding Mode Control of Blood Glucose for Type I Diabetes," International Journal of Medical, Health, Biomedical and Pharmaceutical Engineering, 8, 749-753, 2014.