SUPERVISOR
Behzad Nazari,Marzieh Kamali,Maryam Zekri
بهزاد نظری (استاد راهنما) مرضیه کمالی (استاد مشاور) مریم ذکری (استاد راهنما)
STUDENT
Soudabeh Taghian Dinani
سودابه تقیان دینانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390
TITLE
Blood Glucose Level Control in Type 1 Diabetic Patient Based on Nonlinear Model of Minimal (Bergman)
: Diabetes is one of the most serious, rampant and costly endocrine disease in the world that requires artificial control and regulation of blood glucose concentration level. The latest World Health Organization report has predicted an increase of the adult diabetic population from 4% (180 million) in 2008 to 4.5% (350 million) in 2030. Meanwhile, Iran has currently allocated almost 7 million (8.9 percent) people suffering from diabetes. Diabetes is a metabolic disorder of the body which is mainly divided into two types including, type I diabetes and type II diabetes. In type I diabetes, autoimmune reaction of the body results in destroying ? cells in the pancreas preventing it to create insulin. In type II diabetes, the person develops a resistance to insulin. In general, in any type of diabetes, the cellular system cannot convert carbohydrates into the energy required by the body, eventuating in the high blood glucose concentration (higher than 180 mg/dl) or hyperglycemia . High blood glucose concentration for a long period of time leads to some chronic complications, including cardiovascular diseases, kidney failure, blindness, stroke and non-traumatic limb amputation. On the contrary, low blood glucose level (lower than 60 mg/dl) or hypoglycemia, caused by high dose of injected insulin, can cause loss of consciousness, coma and even death. According to aforementioned reasons, tight control of blood glucose level in type I diabetics is of great importance and in the recent few decades, extensive research has been done in this field. This thesis attempts to present a suitable controller for controlling the blood glucose concentration level in type I diabetics according to the selected model for the glucose – insulin system. To this end, for designing the controller, first a nonlinear model of type I diabetic (minimal model) is considered. Then, in order to investigate the accuracy of the mentioned model for the glucose – insulin system, the model is simulated for different parameters and hypotheses presented in the different papers so that the correct values ??for the parameters will be considered. Then, feedback linearization controller for controlling the blood glucose concentration level is proposed and its stability is investigated. In order to demonstrate the capabilities of the controller, its performance against food disturbance and changing in the parameters is studied. Based on the obtained results, this controller has a good rate of convergence to glucose reference value and removes food disturbance well. Next, because of the good performance of the first-order and higher-order sliding mode controllers against non- modeled dynamics, in order to improve these methods and remove their chattering phenomenon, these two methods are combined with fuzzy logic, the result of which are two controllers including fuzzy high-order sliding controller and fuzzy first-order sliding mode controller. In order to demonstrate the capabilities of the mentioned controllers, their performance against food disturbance and changing in the parameters is studied. The simulation results show the ability of the proposed controllers to control the blood glucose concentration level and eliminates chattering phenomenon in the control signal. Key Words- Diabetes, Control of blood glucose concentration level, Feedback linearization controller, Fuzzy high-order sliding controller, Fuzzy first-order sliding mode controller
بیماری دیابت یکی از جدیترین، شایعترین و پرهزینهترین بیماری های غدد در جهان است که کنترل آن نیازمند تنظیم و کنترل مصنوعی سطح غلظت گلوکز خون میباشد. جدیدترین آمار سازمان سلامت جهانی، افزایش جمعیت بیماران دیابتی بزرگسال را از % 4 (180 میلیون) در سال 2008 به %4/5 (350 میلیون) در سال 2030 پیشبینی کرده است. در این میان، در حال حاضر کشور ایران حدود 7 میلیون نفر (9/8 درصد) بیمار مبتلا به دیابت دارد. بیماری دیابت، یک اختلال در سوخت و ساز بدن است که به طور عمده به دو دستهی دیابت نوع اول و دیابت نوع دوم تقسیم بندی میشود. در دیابت نوع اول عکسالعمل خودایمنی بدن منجر به نابودی سلولهای بتا در لوزالمعده میگردد که عدم تولید انسولین را در پی دارد. در دیابت نوع دوم، بدن فرد در برابر انسولین مقاومت نشان میدهد. به طور کلی در بیماری دیابت از هر نوع، سلولها قادر به تبدیل کربوهیدراتها به انرژی مورد نیاز بدن نیستند و این امر باعث غلظت بالای گلوکز خون (بالاتر از 180 میلیگرم در دسیلیتر) یا هایپرگلایسمی میشود. غلظت بالای گلوکز خون برای مدت طولانی منجر به عواقب مزمن از جمله بیماریهای قلبی، نارسایی کلیه، نابینایی، سکتهی مغزی و قطع عضو خواهد شد. از طرف دیگر، بر اثر تزریق دوز زیاد انسولین در بیمار دیابتی، افت شدید غلظت گلوکز خون (پایینتر از 60 میلیگرم در دسیلیتر) یا هایپوگلایسمی ایجاد میشود که منجر به بیهوشی، کما و حتی مرگ بیمار دیابتی خواهد شد. طبق دلایل ذکر شده، کنترل دقیق غلظت گلوکز خون در بیماران دیابتی نوع اول از اهمیت زیادی برخوردار بوده و در چند دههی اخیر، تحقیقات گستردهای در این زمینه صورت گرفته است. این پایاننامه سعی در ارائهی کنترلکنندهی مناسب برای کنترل سطح گلوکز خون در بیمار دیابتی نوع اول با توجه به مدل انتخاب شده برای سیستم گلوکز- انسولین دارد. به این منظور، در ابتدا برای طراحی کنترلکننده، یک مدل غیرخطی از فرد دیابتی نوع اول (مدل مینیمال) در نظر گرفته میشود. سپس جهت بررسی صحت مدل مذکور برای سیستم گلوکز- انسولین، این مدل به ازای پارامترها و فرضیههای مختلف ارائه شده در مقالات مختلف شبیهسازی میشود تا از این طریق، مقادیر درست برای پارامترهای مدل در نظر گرفته شود. در مرحلهی بعدی، کنترلکنندهی فیدبک خطیساز به منظور کنترل سطح غلظت گلوکز خون، پیشنهاد میشود و پایداری آن بررسی میگردد. به منظور نشان دادن قابلیتهای کنترلکنندهی مذکور عملکرد آن در برابر اغتشاش غذا و تغییر پارامترها بررسی شده است. براساس نتایج به دست آمده، این کنترلکننده، دارای سرعت خوبی برای همگرایی گلوکز به مقدار مرجع است و به خوبی اختلال غذا را حذف میکند. در مرحلهی بعدی، با توجه به عملکرد مطلوب کنترلکنندههای مد لغزشی مرتبه اول و مرتبه بالا در برابر دینامیکهای مدل نشده، در راستای بهبود این روشها و حذف پدیدهی لرزش در آنها، این دو روش با منطق فازی ترکیب شدهاند و حاصل این امر دو کنترلکنندهی مد لغزشی مرتبه بالای فازی و کنترل مد لغزشی مرتبه اول فازی میباشد. به منظور نشان دادن قابلیتهای کنترلکنندههای مذکور عملکرد این دو کنترل کننده نیز در برابر اغتشاش غذا و تغییر پارامترها مورد بررسی قرار میگردد. نتایج شبیهسازی توانایی کنترلکنندههای پیشنهادی را در کنترل سطح غلظت گلوکز خون و حذف پدیدهی لرزش در سیگنال کنترلی نشان میدهد. کلمات کلیدی: دیابت، کنترل سطح گلوکز خون، فیدبک خطیساز،کنترل کنندهی مد لغزشی مرتبه بالای فازی،کنترل کنندهی مد لغزشی مرتبه اول فازی