کتاب کنترل پیش بین مبتنی بر مدل و کاربرد آن در مهندسی پزشکی

معرفی کتاب کنترل پیش بین مبتنی بر مدل و کاربرد آن در مهندسی پزشکی

کتاب الکترونیکی «کنترل پیش‌بین مبتنی بر مدل و کاربرد آن در مهندسی‌پزشکی (ویراست ۲)» نوشتهٔ «فرزاد توحیدخواه» و «گلناز بغدادی» و منتشرشده توسط انتشارات دانشگاه صنعتی امیرکبیر، اثری تخصصی در حوزهٔ مهندسی کنترل است که به بررسی مبانی، الگوریتم‌ها و کاربردهای کنترل پیش‌بین در سیستم‌های زیستی و مهندسی پزشکی می‌پردازد. این کتاب با رویکرد آموزشی و پژوهشی، برای دانشجویان و پژوهشگران رشته‌های مهندسی پزشکی، برق، مکانیک و سایر گرایش‌های مرتبط تدوین شده است. نسخه الکترونیکی این اثر را می‌توانید از طاقچه خرید و دانلود کنید.

درباره کتاب کنترل پیش بین مبتنی بر مدل و کاربرد آن در مهندسی پزشکی

این کتاب به بررسی جامع کنترل پیش‌بین مبتنی بر مدل (Model Predictive Control) و کاربردهای آن در مهندسی پزشکی می‌پردازد. اثر حاضر نتیجه سال‌ها تدریس و پژوهش نویسندگان در دانشگاه صنعتی امیرکبیر است و تلاش دارد پلی میان تئوری‌های مهندسی کنترل و نیازهای عملی سیستم‌های زیستی برقرار کند. کتاب در سه بخش اصلی تنظیم شده است: بخش نخست به مرور مفاهیم پایه کنترل کلاسیک، مدرن و بهینه اختصاص دارد تا پیش‌نیازهای لازم برای درک کنترل پیش‌بین را فراهم کند. بخش دوم به معرفی الگوریتم‌ها و روش‌های مختلف کنترل پیش‌بین مبتنی بر مدل می‌پردازد و بخش سوم به توسعه و کاربردهای نوین این روش در سیستم‌های غیرخطی، هوشمند، وقایع گسسته و سیستم‌های با مرتبه کسری اختصاص یافته است. در این کتاب علاوه بر مباحث نظری، مثال‌ها و کاربردهای متعددی در حوزه مهندسی پزشکی ارائه شده تا خواننده با چالش‌ها و راهکارهای عملی در این حوزه آشنا شود. همچنین پیوست الکترونیکی کتاب شامل کدهای پیاده‌سازی الگوریتم‌ها و اطلاعات تکمیلی است که دسترسی به آن از طریق لینک ارائه‌شده در کتاب ممکن است.

خلاصه کتاب کنترل پیش بین مبتنی بر مدل و کاربرد آن در مهندسی پزشکی

این کتاب با مروری بر مفاهیم پایه کنترل، از جمله سیستم‌های کنترل مدار باز و بسته، کنترل‌کننده‌های کلاسیک مانند PID، و شاخص‌های عملکرد سیستم‌های کنترل آغاز می‌شود. سپس وارد مباحث کنترل مدرن می‌شود و مدل‌سازی سیستم‌ها در فضای حالت، کنترل‌پذیری، رویت‌پذیری و طراحی کنترل‌کننده‌های بازخورد حالت را شرح می‌دهد. بخش بعدی به کنترل بهینه و روش‌های بهینه‌سازی می‌پردازد؛ از تعریف توابع هزینه و معیارهای بهینه‌سازی تا روش‌های حل مسائل بهینه‌سازی با و بدون قید، برنامه‌ریزی خطی و مربعی، و الگوریتم‌های جستجوی تصادفی و تکاملی. در ادامه، کتاب به معرفی کنترل پیش‌بین مبتنی بر مدل می‌پردازد؛ الگوریتم‌های پایه، نحوه طراحی کنترل‌کننده‌ها، اعمال قیود، و استفاده از توابع پایه مانند لاگر را توضیح می‌دهد. همچنین کاربرد کنترل پیش‌بین در سیستم‌های چند ورودی-چند خروجی، سیستم‌های غیرخطی، سیستم‌های وقایع گسسته و سیستم‌های با مرتبه کسری بررسی می‌شود. مثال‌های متعددی از کاربرد این روش‌ها در مهندسی پزشکی، مانند کنترل عمق بیهوشی، کنترل حرکت بیماران پاراپلژیک و سیستم‌های زیستی دیگر، ارائه شده است. در نهایت، کتاب به روش‌های هوشمند کنترل پیش‌بین با استفاده از شبکه‌های عصبی و فازی و ترکیب کنترل‌کننده‌های مختلف می‌پردازد.

چرا باید کتاب کنترل پیش بین مبتنی بر مدل و کاربرد آن در مهندسی پزشکی را خواند؟

این کتاب یکی از منابع جامع و کاربردی برای آشنایی با کنترل پیش‌بین مبتنی بر مدل و پیاده‌سازی آن در حوزه‌های مهندسی پزشکی و سایر رشته‌های مهندسی است. خواننده با مطالعه این اثر، علاوه بر تسلط بر مبانی نظری کنترل پیش‌بین، با چالش‌های عملی و راهکارهای پیاده‌سازی این روش در سیستم‌های زیستی و صنعتی آشنا می‌شود. مثال‌ها و تمرین‌های متعدد، به همراه پیوست الکترونیکی شامل کدهای پیاده‌سازی، امکان یادگیری عمیق‌تر و کاربردی‌تر را فراهم می‌کند. همچنین ساختار کتاب به گونه‌ای است که هم برای ورود به مباحث پایه و هم برای آشنایی با روش‌های پیشرفته و نوین کنترل پیش‌بین مناسب است.

خواندن کتاب کنترل پیش بین مبتنی بر مدل و کاربرد آن در مهندسی پزشکی را به چه کسانی پیشنهاد می‌کنیم؟

این کتاب برای دانشجویان و پژوهشگران تحصیلات تکمیلی در رشته‌های مهندسی پزشکی، برق، مکانیک، مکاترونیک، کامپیوتر، شیمی، پلیمر، هوافضا و مدیریت که به دنبال یادگیری یا پژوهش در زمینه کنترل پیش‌بین و کاربردهای آن در سیستم‌های زیستی و صنعتی هستند، مناسب است. همچنین برای افرادی که با مسائل کنترل سیستم‌های پیچیده، غیرخطی یا دارای قیود مواجه‌اند و به دنبال راهکارهای نوین کنترلی هستند، مفید خواهد بود.

فهرست کتاب کنترل پیش بین مبتنی بر مدل و کاربرد آن در مهندسی پزشکی

- مقدمه‌ای بر سیستم‌های کنترل: معرفی مفاهیم پایه کنترل، اجزای سیستم کنترل، کنترل مدار باز و بسته، شاخص‌های عملکرد و کنترل‌کننده PID. - مروری بر مفاهیم کنترل مدرن: مدل‌سازی در فضای حالت، کنترل‌پذیری، رویت‌پذیری، طراحی کنترل بازخورد حالت و رویت‌گر. - مروری بر مفاهیم کنترل بهینه: تعریف توابع هزینه، انواع مسائل بهینه‌سازی، روش‌های حل مسائل بهینه‌سازی با و بدون قید، برنامه‌ریزی خطی و مربعی، الگوریتم‌های جستجوی تصادفی و تکاملی. - روش‌های کنترل مبتنی بر مدل: معرفی الگوریتم‌های پایه کنترل پیش‌بین، طراحی کنترل‌کننده، اعمال قیود، استفاده از توابع پایه مانند لاگر، کنترل پیش‌بین با افق محدود و نامحدود. - کنترل پیش‌بین در فضای حالت: پیاده‌سازی الگوریتم‌ها در فضای حالت، کنترل سیستم‌های چند ورودی-چند خروجی، استفاده از رویت‌گر و فیلتر کالمن. - کنترل پیش‌بین با در نظر گرفتن قیود: فرمول‌بندی مسئله کنترل با قیود، اعمال قیود بر سیگنال کنترل و خروجی، روش‌های حل بهینه‌سازی مقید. - کنترل پیش‌بین با استفاده از توابع لاگر: طراحی کنترل‌کننده با توابع پایه، کمینه‌سازی تابع هزینه، کنترل افق لغزان و تحلیل پایداری. - کنترل پیش‌بین مبتنی بر روش‌های هوشمند: استفاده از شبکه‌های عصبی و فازی در مدل‌سازی و طراحی کنترل‌کننده. - کنترل پیش‌بین در سیستم‌های وقایع گسسته و سیستم‌های با مرتبه کسری: مدل‌سازی و کنترل این سیستم‌ها با الگوریتم‌های پیش‌بین. - مثال‌ها و کاربردها: نمونه‌هایی از کاربرد کنترل پیش‌بین در مهندسی پزشکی، مانند کنترل عمق بیهوشی، کنترل حرکت بیماران پاراپلژیک و سیستم‌های زیستی دیگر. - پیوست‌ها: اطلاعات تکمیلی و کدهای پیاده‌سازی الگوریتم‌ها.

بخشی از کتاب کنترل پیش بین مبتنی بر مدل و کاربرد آن در مهندسی پزشکی

«یک سیستم کنترل، ابزاری است که از طریق تولید و اعمال مجموعه‌ای از دستورات و ورودی‌های کنترلی، رفتار یک دستگاه یا یک فرایند را به سمت مقادیر مطلوب هدایت و تنظیم می‌کند. این مقدار مطلوب می‌تواند ثابت باشد که در این صورت سیستم کنترل را تنظیم‌کننده می‌گویند و یا می‌تواند با زمان تغییر کند که در این حالت آن را سیستم کنترل تعقیب‌کننده می‌نامیم. ازجمله مثال‌های یک سیستم کنترل می‌توان به کنترل دمای یک راکتور شیمیایی، تنظیم غلظت مواد در تولید یک محصول و یا سیاست‌های اقتصادی اشاره کرد. سیستم زیستی بدن انسان و همچنین دیگر موجودات زنده نیز سرشار از فرایندهایی است که هرکدام توسط یک سیستم کنترلی خودکار هدایت می‌شوند. ازجمله این سیستم‌ها می‌توان به کنترل غلظت انواع مواد موجود در خون و بافت‌های بدن، کنترل دمای بدن، کنترل سطح توجه و هوشیاری و یا کنترل میزان انقباض و انبساط عضله‌ها اشاره نمود. وجود هرگونه ضعف در هر یک از این کنترل‌کننده‌ها می‌تواند منجر به انواع بیماری‌ها و اختلال‌ها شود. در این صورت معمولاً طی یک فرایند درمانی خاص سعی می‌شود مشکل موجود در سیستم کنترل برطرف گردد و یا اینکه در بعضی موارد خاص، از ابزارهای خارجی برای رفع مشکل کمک گرفته می‌شود. به‌عنوان نمونه‌ای از حالت اول می‌توان به بیماری دیابت نوع دو اشاره نمود که در آن به علت وجود مشکل در لوزالمعده، کنترل قند خون به‌درستی انجام نمی‌شود و لازم است که به کمک یک سری داروها و یا تزریق انسولین به سیستم کنترل قند خون کمک شود. به‌عنوان مثالی از حالت دوم می‌توان به سیستم دیالیز اشاره نمود. این سیستم درواقع جایگزین بسیاری از مسئولیت‌های طبیعی کلیه‌ها می‌شود و از خارج بدن تصفیه مواد زائد بدن را بر عهده می‌گیرد. به‌این ترتیب مشاهده می‌شود که سیستم‌های کنترل‌کننده نقش مهمی را در سیستم‌های زیستی و غیر زیستی بر عهده دارند.»