Czasopismo | PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY | Rocznik 2023 - zeszyt 10

A Tuning of PID Power Controller using Particle Swarm Optimization for an Electro-Surgical Unit

Strojenie regulatora mocy PID za pomocą optymalizacji roju cząstek dla jednostki elektrochirurgicznej

10.15199/48.2023.10.04

nr katalogowy: 145769
10.15199/48.2023.10.04

Streszczenie

Electro surgical unit is a popular modern device. It has been used in operating rooms for cutting, fulguration and coagulation of human tissues. ESU generates high frequency alternating current to prevent the stimulation of nerves and muscles. The objective of this article was to improve the performance of an ESU by controlling its output power under the variation of tissue impedance using proportional integral derivative controller based on particle swarm optimization to achieve minimum overshoots and fast dynamic response. The controller was simulated in MATLAB/SIMULINK to demonstrate the superiority of the suggested method. A comparative analysis was presented with ESU utilizing manual tuning process. The results showed that the proposed controller offered best performance utilizing manual tuning method. Moreover, both of the tuning methods presented better results from open-loop controller as a result of which charring of tissues could be eliminated and clinical operations could be made more efficient.

Abstract

Aparat elektrochirurgiczny to popularne nowoczesne urządzenie. Stosowano go na salach operacyjnych do cięcia, nakłuwania i koagulacji tkanek ludzkich. ESU generuje prąd zmienny o wysokiej częstotliwości, aby zapobiec stymulacji nerwów i mięśni. Celem tego artykułu była poprawa wydajności ESU poprzez sterowanie jego mocą wyjściową przy zmianie impedancji tkanki przy użyciu proporcjonalnego całkowego regulatora pochodnego opartego na optymalizacji roju cząstek w celu uzyskania minimalnych przeregulowań i szybkiej odpowiedzi dynamicznej. W celu wykazania wyższości zaproponowanej metody przeprowadzono symulację sterownika w programie MATLAB/SIMULINK. Przedstawiono analizę porównawczą z ESU z wykorzystaniem procesu strojenia ręcznego. Wyniki pokazały, że proponowany regulator oferował najlepszą wydajność przy zastosowaniu metody strojenia ręcznego. Co więcej, obie metody strojenia dały lepsze wyniki w przypadku sterowania z otwartą pętlą, w wyniku czego można było wyeliminować zwęglanie tkanek i zwiększyć efektywność operacji klinicznych.

Słowa kluczowe

Keywords

Bibliografia

[1] Fahad S., Ullah N., Mahdi A. J. and Ullah N., A new robust closed-loop control system for electrosurgical generators", Research on Biomedical Engineering, (2020), 36: 213-24.
[2] alzaidi A. I., yahya A., Swee T. T. and Idris N., Development of high frequency generator for bipolar electrosurgical unit, International Journal of Engineering & Technology, (2018), 7 (2.29) 20-23.
[3] Jensen S. and Maksimovic D., Fast Tracking Electrosurgical Generator Using Two-Rail Multiphase Buck Converter with GaN Switches, IEEE Transactions on Power Electronics, (2017), vol. 32, no. 1, pp. 634-641.
[4] Munro M. G, Fuchshuber P. and Jones D. B., The SAGES Manual on the Fundamental Use of Surgical Energy (FUSE), Springer, (2012).
[5] Ismael C., Electrosurgical units–how they work and how to use them safely, Community eye health, (2015), vol. 28.
[6] Kappus M. S. and Jones D. B., Staplers, Cartridges, and Energy Devices, The Perfect Sleeve Gastrectomy (Springer), (2020).
[7] Bree K. and William S. B., The dangers of electrosurgical smoke to operating room personnel: a review, Workplace health Rundell and safety, (2017), 65: 517-26.
[8] Hancock C. P, Burn P., Duff C. I.,Sloan R., White M., Bishop J., Goodman A. M., Booton M., Chaudhry M. S. and Steve, A new wave in electrosurgery: A review of existing and introduction to new radio-frequency and microwave therapeutic systems, IEEE Microwave Magazine Morris, (2015), 16: 14-30.
[9] Palanker D. V, Vankov A. and Philip, Electrosurgery with cellular precision, IEEE Transactions on Biomedical Engineering Huie, (2008), 55: 838-41.
[10] Belik D. V. and Kustov I. N., The system for measuring the speed of movement of the active electrode of the electrosurgical unit, XIV International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE), (2018), 343-45.
[11] Marín-Gabriel J. C., Romito R., Guarner-Argente C., SantiagoGarcía J., Rodríguez-Sánchez J. and Takashi, Use of electrosurgical units in the endoscopic resection of gastrointestinal tumors, Gastroenterologia y hepatologia Toyonaga, (2019), 42: 512-23.
[12] Ridha A. M., Mahdi A. J., Abed J. K., Fahad S., PID fuzzy control applied to an electrosurgical unit for power regulation, J Electr Bioimp, (2020), vol. 11, pp. 72-80.
[13] Mahdi A. J. and Fadheel B. A., Study the Robustness Active Filter for a Three-Phase Power Rectifier Considering Line Frequency and Load Variations, Journal of University of Babylon for Engineering Sciences, (2018), 26: 141-54.
[14] Yim-Shu L. and Chow M. H. L., 10 - Diode Rectifiers, Power Electronics Handbook (Third Edition), (2011).
[15] Yim-Shu L. and Chow M. H. L., 7- Diode Rectifiers, Power Electronics Handbook (Third Edition), (2018).
[16] Fahad S., Ullah N., Mahdi A. J., Ibeas A. and Arman, An advanced two-stage grid connected PV system: A Fractional-Order Controller, (2020), arXiv preprint arXiv, 9:.14106 Goudarzi.
[17] Mnati M. J., Abed J. K., Bozalakov D. V. and Bossche A. V. D., Analytical and calculation DC-link capacitor of a three-phase grid-tied photovoltaic inverter, IEEE 12th International Conference on Compatibility, Power Electronics and Power Engineering, (2018), 1-6.
[18] Abed J. K., Design of a Low Harmonics High Frequency Inverter for Control Applications, PhD Thesis submitted to the Department of Electrical and Electronic Engineering University of Technology, Iraq, (2003).
[19] Mahdi A. J., Al-Anbarri K. A. and Hameed E. A., A Hybrid Synchronization Controller for a Grid-Connected Photovoltaic Inverter with a High Inductive Load, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, (2018), 012081.
[20] Karaki W., Lopez C. A., Borca-Tasciuc D., Suvranu, A continuum thermomechanical model of in vivo electrosurgical heating of hydrated soft biological tissues, International journal of heat De, and mass transfer, (2018), 127: 961-74.
[21] Alzaidi A. I., Yahya A., Rava M., Swee T. T., Norhalimah, A SYSTEMATIC REVIEW ON CURRENT RESEARCH TRENDS IN ELECTROSURGICAL SYSTEMS, Biomedical Engineering: Applications Idris, Basis, and Communications, (2019), 31: 1950004.
[22] Reidenbach H-D and Buess G., Ancillary technology: electrocautery, thermocoagulation and laser, Operative manual of endoscopic surgery (Springer), (1992).
[23] Yasuno E., Kato H., Kinouchi Y. and Morimoto T., A Fundamental Study on Parameter Estimation of Layerd Local Tissue Impedance for EIT, IEEE Engineering in Medicine and Biology 27th Annual Conference, (2006), 6650-53.
[24] Dornhof K. and DV., An electrical circuit for biological tissue simulation in electrosurgery models, Biomedical Engineering Belik, (2019), 53: 40-43.
[25] Mahdi A. J., Tang W. H. and Wu Q. H., Derivation of a complete transfer function for a wind turbine generator system by experiments, IEEE Power Engineering and Automation Conference, (2011), vol. 1, pp. 35-38.
[26] Nazir M.S., Wang Y., Mahdi A. J.., Sun X., Zhang C., Abdalla, A. N., Improving the Performance of Doubly Fed Induction Generator Using Fault Tolerant Control—A Hierarchical Approach. Appl. Sci. 2020, 10, 924.
[27] Imbertson P. and Mohan N., Asymmetrical duty cycle permits zero switching loss in PWM circuits with no conduction loss penalty, IEEE transactions on industry applications, (1993), 29: 121-25.
[28] Mahdi A. J., Tang W. H., Jiang L. and Wu Q. H., A Comparative study on variable-speed operations of a wind generation system using vector control, International conference on Renewable Energy and Power Quality, (2010),1: 605-610.
[29] Rodrigo M. A., Seco A., Ferrer J., Penya-Roja J. M. and Valverde J. L., Nonlinear control of an activated sludge aeration process: use of fuzzy techniques for tuning PID controllers, ISA transactions, (1999), 38: 231-41.
[30] Fahad S., Mahdi A. J., Tang W. H., Huang K. and Liu Y., Particle swarm optimization based dc-link voltage control for two stage grid connected pv inverter, International Conference on Power System Technology, (2018), 2233-41.
[31] Mahdi A. J., Tang W. H. and Wu Q. H., Parameter identification of a PMSG using a PSO algorithm based on experimental tests, International Conference on Energy, Power and Control, (2010), 39-44.
[32] Aljanabi M., Abed J. K., Abd H. J., Duhis A. H., Abdallh A. O. and Alanı N., Discrimination between Healthy and Unhealthy Mole Lesions using Artificial Swarm Intelligence, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, (2020), 012034.
[33] Seyedkazaemi M., Akbarimajd A., Rahnamaei A. and Baghbanpourasl A., A genetically tuned optimal PID controller, WSEAS TRANSACTIONS ON SYSTEMS Branch, and CONTROL, (2007), 2: 278.
[34] Scott S. J., Maksimovic D., Friedrichs D. and Gilbert J., Fast tracking electrosurgical generator using GaN switches, IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, (2015), 1404-08.

Jeśli masz wykupiony/przyznany dostęp - zaloguj się. Skorzystaj z naszych propozycji zakupu!

Publikacja


PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY- e-publikacja (pdf) z zeszytu 2023-10 , nr katalogowy 145769 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	10.00 zł

Zeszyt


PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY- e-zeszyt (pdf) 2023-10 licencja: Osobista Produkt cyfrowy Nowość	70.00 zł

Prenumerata

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - prenumerata cyfrowa
licencja: Osobista

Produkt cyfrowy
Nowość

762.00 zł

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - PAKIET prenumerata PLUS
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - PAKIET prenumerata PLUS (Prenumerata papierowa + dostęp do portalu sigma-not.pl + e-prenumerata)	1002.00 zł brutto 927.78 zł netto 74.22 zł VAT (stawka VAT 8%)

1002.00 zł

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - papierowa prenumerata roczna + wysyłka
licencja: Osobista

Szczegóły pakietu

Nazwa
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - papierowa prenumerata roczna	960.00 zł brutto 888.89 zł netto 71.11 zł VAT (stawka VAT 8%)
PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY - pakowanie i wysyłka	42.00 zł brutto 34.15 zł netto 7.85 zł VAT (stawka VAT 23%)

1002.00 zł

Zeszyt

2023-10

Twój Koszyk

Publikacja

Zeszyt

Prenumerata

Zeszyt

Czasopisma