一种基于无创呼吸机的气动比例阀控制系统及控制方法

1.本发明涉及医疗器械技术领域，更具体的说是涉及一种基于无创呼吸机的气动比例阀控制系统及控制方法。


背景技术：

2.目前，医用呼吸机通常作为肺的替代器官辅助呼吸不全的危重病人进行呼吸。近年来，其作为一种重要的抢救设备已经在大型医院中得到了广泛的应用。呼吸机实现气流控制的关键部件是气动比例阀，阀的开度大小决定气体流量的大小，研究改善气动比例阀控制性能的技术可以提高病人在使用呼吸机过程中的安全性和舒适度，为抢救病人提供更好的条件。然而，国内的医疗设备厂商起步较晚，呼吸机产业也是从上世纪末才开始増大其研发力度，产品才有所提升，这就导致了我国的呼吸机产品工作模式单一，人机交互性较差，而且病人的状态检测不全面，所以很难进入髙端市场。
3.为了提升国产呼吸机的水平，国内厂家通过先学习再改进的方法，开发出具有自主知识产权的多功能呼吸机，但是，很多关键参数与国外巨头相比仍然有较大的差距，并且部分元器件也只能依赖进口，整体功能上与世界先进水平还是有较大的差距。
4.在研究和实现呼吸机气动比例阀自适应性控制的过程中，发明人发现现有技术中的呼吸机气动比例阀至少存在如下问题：
5.呼吸机的工作介质为强压缩性气体，气源侧压力最大可达300kpa，通气过程中系统参数剧烈变化，传统pid控制虽然算法成熟、稳定性好，但它基于系统精确模型设计，鲁棒性和自适应性较差，难于控制非线性、不确定的复杂系统，对于气动比例系统的负载多变性以及参数不确定性，往往无法得到较好的控制效果。
6.例如，专利cn202210970202.3《一种无创呼吸机及无创呼吸机的控制方法》、专利cn202210535178.0《一种基于流速控制的呼吸机工作方法及呼吸机》、专利cn202110418226.3《一种无创呼吸机控制系统》和专利cn202010246553.0《一种基于无创呼吸机的肺泡通气量监控系统与控制方法》，上述现有专利对无创呼吸机关键元件的气动比例阀控制技术较少，都没有有效缩短系统的响应时间以及解决难以调参的问题
7.因此，如何提供一种基于无创呼吸机的气动比例阀控制系统及控制方法是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明提供了一种基于无创呼吸机的气动比例阀控制系统及控制方法，设计驱动电路将算法在嵌入式微控制器stm32f767上实现，缩短了系统响应时间，提高了系统的鲁棒性和稳定性；不需要建立对象的精确数学模型，将模糊控制与pid控制结合起来，智能地调整pid参数，能够很好的解决系统的非线性问题，且鲁棒性、快速性和精确性均较好。
9.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
10.一种基于无创呼吸机的气动比例阀控制系统，包括：上位机、呼吸机气路、流量传感器、控制器、驱动电路和气动比例阀；
11.上位机，用于发送流量控制信号；
12.呼吸机气路，用于根据流量控制信号输出氧气；
13.传感器，用于测量呼吸机气路的实时流量值和呼吸机气路的输出压力，并发送至微控制器；
14.控制器，用于持续将传感器测量的实时流量值与流量设定值进行比较，计算两者之间的误差并根据自适应模糊pid控制原理确定pwm波信号的占空比并输出pwm波电压信号，还用于根据呼吸机气路的输出压力进行呼吸机气路的呼吸状态控制；
15.驱动电路，用于将微控制器输出的pwm波电压信号进行功率放大；
16.气动比例阀，用于根据pwm波信号的占空比，将功率放大后的pwm波电压信号转换成平均电流值不同的电流信号，产生和平均电流值成比例关系的电磁推力推动气动比例阀的位置发生改变，控制呼吸机气路的流量。
17.优选的，气动比例阀包括比例电磁铁、比例线圈和阀芯；
18.比例线圈，用于在驱动电路作用下基于电感效应将不同占空比的pwm波信号转换成平均电流值不同的电流信号；
19.比例电磁铁，用于产生和比例线圈中的平均电流值成比例关系的电磁推力，电磁推力推动气动比例阀的阀芯的位置发生改变从而输出不同的流量。
20.优选的，控制器包括自适应模糊pid控制模块，用于根据传感器测量的实时流量值与流量设定值的误差，基于模糊论域和隶属度函数获取pid控制参数和偏差e及偏差变化率ec的模糊关系，计算e及ec的传感器反馈值与设定值，根据模糊控制规则确定参数调整量，对pid控制参数进行在线调整，求得电压控制量并输出调整后的pwm波电压信号。
21.优选的，对pid控制参数进行在线调整具体满足：
[0022][0023]
其中，k
pn
、k
in
、k
dn
为调整之前的pid参数，δk
p
、δki、δkd为根据模糊规则得到的参数调整量，δk
p
、δki分别隶属于各个模糊变量的隶属度，k
pn+1
、k
in+1
、k
dn+1
为调整之后的参数；
[0024]
电压控制量具体为：
[0025][0026]
优选的，模块控制规则具体为：
[0027]
当e为正大时，需要输出流量快速增大时，增大k
p
以使阀芯打破受力平衡状态朝阀口开度更大的方向运动；而当|e|较小时，输出流量接近设定流量，需要维持阀芯的位置防止过调，应立刻减小k
p
和ki；当e为负大时，需要输出流量快速减小时，需要阀口开度更小，此时应该增大k
p
并减小ki以使阀芯朝阀口开度更小的方向运动；而当输出流量由大于设定流量达到设定流量时，应该增大ki，因为阀口开度更大时需要的电磁推力更小。
[0028]
优选的，呼吸机气路的呼吸状态控制具体为：根据测量的呼吸机气路的输出压力获取压力波动幅值，对比波动幅值与设定上升阈值的大小，波动幅值大于上升阈值判断为吸气状态，反之判断为呼气状态。
[0029]
优选的，呼吸机气路沿气体流动方向依次包括空气源、气体过滤器、单向阀、调压阀和气体温湿器。
[0030]
优选的，传感器包括流量传感器和压力传感器。
[0031]
一种基于无创呼吸机的气动比例阀控制方法，包括以下步骤：
[0032]
s1.发送流量控制信号，根据流量控制信号输出氧气；
[0033]
s2.测量实时流量值和输出压力并发送；
[0034]
s3.持续将实时流量值与流量设定值进行比较，计算两者之间的误差并根据自适应模糊pid控制原理确定pwm波信号的占空比并输出pwm波电压信号，并根据呼吸机气路的输出压力进行呼吸机气路的呼吸状态控制；
[0035]
s4.将微控制器输出的pwm波电压信号进行功率放大；
[0036]
s5.根据pwm波信号的占空比，将功率放大后的pwm波电压信号转换成平均电流值不同的电流信号，产生和平均电流值成比例关系的电磁推力推动气动比例阀的位置发生改变，控制输出氧气的流量。
[0037]
优选的，s3的具体内容为：根据传感器测量的实时流量值与流量设定值的误差，基于模糊论域和隶属度函数获取pid控制参数和偏差e及偏差变化率ec的模糊关系，计算e及ec的传感器反馈值与设定值，根据模糊控制规则确定参数调整量，对pid控制参数进行在线调整，求得电压控制量并输出调整后的pwm波电压信号。
[0038]
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于无创呼吸机的气动比例阀控制系统及控制方法，以模糊pid控制算法为核心，结合控制系统的功能需求，设计基于无创呼吸机的气动比例阀总体系统，能够实时调整pid参数，缩短了系统的调整时间，增强了信号的跟踪能力，具有良好的稳态特性，在流量较大，气源压力波动的情况下能有效的抑制干扰，在不同的输出流量条件下，均达到了良好的控制性能，在输出流量较小时，阀芯两侧的压差较大，阀芯的微小移动都会导致其两侧的压力发生较大变化，系统的非线性特性尤为明显，模糊pid控制在这种条件性仍能达到较好的控制性能，表现出较强的鲁棒性，提高了呼吸机通气的稳定性和患者使用的舒适度。
附图说明
[0039]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0040]
图1附图为本发明提供的气动比例阀控制系统结构示意图；
[0041]
图2附图为本发明提供的自适应模糊pid控制原理示意图；
[0042]
图3附图为本发明提供的气道压力调节示意图；
[0043]
图4附图为本发明提供的驱动电路结构示意图；
[0044]
图5附图为本发明提供的呼吸机气路图。
具体实施方式
[0045]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046]
本发明实施例公开了一种基于无创呼吸机的气动比例阀控制系统，如图1，包括上位机、呼吸机气路、流量传感器、控制器、驱动电路和气动比例阀；
[0047]
上位机，用于发送流量控制信号；
[0048]
呼吸机气路，用于根据流量控制信号输出氧气；
[0049]
传感器，用于测量呼吸机气路的实时流量值和呼吸机气路的输出压力，并发送至微控制器；
[0050]
控制器，用于持续将传感器测量的实时流量值与流量设定值进行比较，计算两者之间的误差并根据自适应模糊pid控制原理确定pwm波信号的占空比并输出pwm波电压信号，还用于根据呼吸机气路的输出压力进行呼吸机气路的呼吸状态控制；
[0051]
驱动电路，用于将微控制器输出的pwm波电压信号进行功率放大；
[0052]
气动比例阀，用于根据pwm波信号的占空比，将功率放大后的pwm波电压信号转换成平均电流值不同的电流信号，产生和平均电流值成比例关系的电磁推力推动气动比例阀的位置发生改变，控制呼吸机气路的流量。
[0053]
为了进一步实施上述技术方案，气动比例阀包括比例电磁铁、比例线圈和阀芯；
[0054]
比例线圈，用于在驱动电路作用下基于电感效应将不同占空比的pwm波信号转换成平均电流值不同的电流信号；
[0055]
比例电磁铁，用于产生和比例线圈中的平均电流值成比例关系的电磁推力，电磁推力推动气动比例阀的阀芯的位置发生改变从而输出不同的流量。
[0056]
为了进一步实施上述技术方案，如图2，控制器包括自适应模糊pid控制模块，用于根据传感器测量的实时流量值与流量设定值的误差，基于模糊论域和隶属度函数获取pid控制参数和偏差e及偏差变化率ec的模糊关系，计算e及ec的传感器反馈值与设定值，根据模糊控制规则确定参数调整量，对pid控制参数进行在线调整，求得电压控制量并输出调整后的pwm波电压信号。
[0057]
为了进一步实施上述技术方案，对pid控制参数进行在线调整具体满足：
[0058][0059]
其中，k
pn
、k
in
、k
dn
为调整之前的pid参数，δk
p
、δki、δkd为根据模糊规则得到的参数调整量，δk
p
、δki分别隶属于各个模糊变量的隶属度，k
pn+1
、k
in+1
、k
dn+1
为调整之后的参数；
[0060]
电压控制量具体为：
[0061]
[0062]
在本实施例中，微分项kd的作用是加快系统响应、减小超调，但是调节该参数对系统的性能影响并不明显，所以使用固定的kd参数，仅对k
p
和ki使用模糊规则进行调整；具体的：首先将e和ec由精确量转化为模糊量，这种转化基于模糊论域和隶属度函数的选择，输入变量e、ec及输出变量δk
p
、δki的模糊论域均为{nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb}，分别代表负大，负中，负小，零，正小，正中和正大；将e和ec线性变换到区间[-3，3]之间，然后根据隶属度函数确定e和ec分别隶属于各个模糊变量的隶属度，根据模糊控制规则确定调整量δk
p
、δki分别隶属于各个模糊变量的隶属度。
[0063]
为了进一步实施上述技术方案，模块控制规则具体为：
[0064]
当e为正大时，需要输出流量快速增大时，增大k
p
以使阀芯打破受力平衡状态朝阀口开度更大的方向运动；而当|e|较小时，输出流量接近设定流量，需要维持阀芯的位置防止过调，应立刻减小k
p
和ki；当e为负大时，需要输出流量快速减小时，需要阀口开度更小，此时应该增大k
p
并减小ki以使阀芯朝阀口开度更小的方向运动；而当输出流量由大于设定流量达到设定流量时，应该增大ki，因为阀口开度更大时需要的电磁推力更小，对于得到的输出模糊变量集合，一般采用加权平均法求得输出的精确值。
[0065]
为了进一步实施上述技术方案，如图3，呼吸机气路的呼吸状态控制具体为：根据测量的呼吸机气路的输出压力获取压力波动幅值，对比波动幅值与设定上升阈值的大小，波动幅值大于上升阈值判断为吸气状态，反之判断为呼气状态。
[0066]
为了进一步实施上述技术方案，如图5，呼吸机气路沿气体流动方向依次包括空气源、气体过滤器、单向阀、调压阀和气体温湿器；气体过滤器，用于过滤空气源进入呼吸气路中的粉尘或烟雾及微生物等杂质；气体温湿器，用于对患者吸入的空气加温加湿，避免因空气干燥或者温度太低而刺激患者的呼吸气道。
[0067]
为了进一步实施上述技术方案，传感器包括流量传感器和压力传感器。
[0068]
一种基于无创呼吸机的气动比例阀控制方法，包括以下步骤：
[0069]
s1.发送流量控制信号，根据流量控制信号输出氧气；
[0070]
s2.测量实时流量值和输出压力并发送；
[0071]
s3.持续将实时流量值与流量设定值进行比较，计算两者之间的误差并根据自适应模糊pid控制原理确定pwm波信号的占空比并输出pwm波电压信号，并根据呼吸机气路的输出压力进行呼吸机气路的呼吸状态控制；
[0072]
s4.将微控制器输出的pwm波电压信号进行功率放大；
[0073]
s5.根据pwm波信号的占空比，将功率放大后的pwm波电压信号转换成平均电流值不同的电流信号，产生和平均电流值成比例关系的电磁推力推动气动比例阀的位置发生改变，控制输出氧气的流量。
[0074]
重复步骤s2-s5直至实时流量值与流量设定值之间的误差减小至几乎为零。
[0075]
为了进一步实施上述技术方案，s3的具体内容为：根据传感器测量的实时流量值与流量设定值的误差，基于模糊论域和隶属度函数获取pid控制参数和偏差e及偏差变化率ec的模糊关系，计算e及ec的传感器反馈值与设定值，根据模糊控制规则确定参数调整量，对pid控制参数进行在线调整，求得电压控制量并输出调整后的pwm波电压信号。
[0076]
在本实施例中，在压力切换过程中使用模糊控制，当压力切换完成时使用pid控制，气道内的压力从平稳的低压力变化到平稳的高压力需要一定的时间，从高压力变化到
低压力也需要一定的时间，当获取压力波动幅值时，对比波动幅值与设定上升阈值的大小，波动幅值大于上升阈值判断为吸气状态，反之判断为呼气状态；呼吸切换的过渡时间越短，说明呼吸机的压力控制动态性能越好，但压力调整速度过快会引起用户的不适，因而，呼吸机输出压力值需要自适应控制进行调整。
[0077]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0078]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种基于无创呼吸机的气动比例阀控制系统，其特征在于，包括：上位机、呼吸机气路、流量传感器、控制器、驱动电路和气动比例阀；上位机，用于发送流量控制信号；呼吸机气路，用于根据流量控制信号输出氧气；传感器，用于测量呼吸机气路的实时流量值和呼吸机气路的输出压力，并发送至微控制器；控制器，用于持续将传感器测量的实时流量值与流量设定值进行比较，计算两者之间的误差并根据自适应模糊pid控制原理确定pwm波信号的占空比并输出pwm波电压信号，还用于根据呼吸机气路的输出压力进行呼吸机气路的呼吸状态控制；驱动电路，用于将微控制器输出的pwm波电压信号进行功率放大；气动比例阀，用于根据pwm波信号的占空比，将功率放大后的pwm波电压信号转换成平均电流值不同的电流信号，产生和平均电流值成比例关系的电磁推力推动气动比例阀的位置发生改变，控制呼吸机气路的流量。2.根据权利要求1所述的一种基于无创呼吸机的气动比例阀控制系统，其特征在于，气动比例阀包括比例电磁铁、比例线圈和阀芯；比例线圈，用于在驱动电路作用下基于电感效应将不同占空比的pwm波信号转换成平均电流值不同的电流信号；比例电磁铁，用于产生和比例线圈中的平均电流值成比例关系的电磁推力，电磁推力推动气动比例阀的阀芯的位置发生改变从而输出不同的流量。3.根据权利要求1所述的一种基于无创呼吸机的气动比例阀控制系统，其特征在于，控制器包括自适应模糊pid控制模块，用于根据传感器测量的实时流量值与流量设定值的误差，基于模糊论域和隶属度函数获取pid控制参数和偏差e及偏差变化率ec的模糊关系，计算e及ec的传感器反馈值与设定值，根据模糊控制规则确定参数调整量，对pid控制参数进行在线调整，求得电压控制量并输出调整后的pwm波电压信号。4.根据权利要求3所述的一种基于无创呼吸机的气动比例阀控制系统，其特征在于，对pid控制参数进行在线调整具体满足：其中，k
pn
、k
in
、k
dn
为调整之前的pid参数，δk
p
、δk
i
、δk
d
为根据模糊规则得到的参数调整量，δk
p
、δk
i
分别隶属于各个模糊变量的隶属度，k
pn+1
、k
in+1
、k
dn+1
为调整之后的参数；电压控制量具体为：5.根据权利要求4所述的一种基于无创呼吸机的气动比例阀控制系统，其特征在于，模块控制规则具体为：当e为正大时，需要输出流量快速增大时，增大k
p
以使阀芯打破受力平衡状态朝阀口开度更大的方向运动；而当|e|较小时，输出流量接近设定流量，需要维持阀芯的位置防止过
调，应立刻减小k
p
和k
i
；当e为负大时，需要输出流量快速减小时，需要阀口开度更小，此时应该增大k
p
并减小k
i
以使阀芯朝阀口开度更小的方向运动；而当输出流量由大于设定流量达到设定流量时，应该增大k
i
，因为阀口开度更大时需要的电磁推力更小。6.根据权利要求1所述的一种基于无创呼吸机的气动比例阀控制系统，其特征在于，呼吸机气路的呼吸状态控制具体为：根据测量的呼吸机气路的输出压力获取压力波动幅值，对比波动幅值与设定上升阈值的大小，波动幅值大于上升阈值判断为吸气状态，反之判断为呼气状态。7.根据权利要求1所述的一种基于无创呼吸机的气动比例阀控制系统，其特征在于，呼吸机气路沿气体流动方向依次包括空气源、气体过滤器、单向阀、调压阀和气体温湿器。8.根据权利要求1所述的一种基于无创呼吸机的气动比例阀控制系统，其特征在于，传感器包括流量传感器和压力传感器。9.一种基于无创呼吸机的气动比例阀控制方法，基于权利要求1-8任意一项所述的一种基于无创呼吸机的气动比例阀控制系统，其特征在于，包括以下步骤：s1.发送流量控制信号，根据流量控制信号输出氧气；s2.测量实时流量值和输出压力并发送；s3.持续将实时流量值与流量设定值进行比较，计算两者之间的误差并根据自适应模糊pid控制原理确定pwm波信号的占空比并输出pwm波电压信号，并根据呼吸机气路的输出压力进行呼吸机气路的呼吸状态控制；s4.将微控制器输出的pwm波电压信号进行功率放大；s5.根据pwm波信号的占空比，将功率放大后的pwm波电压信号转换成平均电流值不同的电流信号，产生和平均电流值成比例关系的电磁推力推动气动比例阀的位置发生改变，控制输出氧气的流量。10.根据权利要求9所述的一种基于无创呼吸机的气动比例阀控制方法，其特征在于，s3的具体内容为：根据传感器测量的实时流量值与流量设定值的误差，基于模糊论域和隶属度函数获取pid控制参数和偏差e及偏差变化率ec的模糊关系，计算e及ec的传感器反馈值与设定值，根据模糊控制规则确定参数调整量，对pid控制参数进行在线调整，求得电压控制量并输出调整后的pwm波电压信号。

技术总结
本发明公开了一种基于无创呼吸机的气动比例阀控制系统及控制方法，包括上位机、呼吸机气路、流量传感器、控制器、驱动电路和气动比例阀；呼吸机气路根据上位机发送流量控制信号输出氧气；传感器测量呼吸机气路的实时流量值和输出压力；控制器持续将传感器测量的实时流量值与流量设定值进行比较，计算两者之间的误差并根据自适应模糊PID控制原理确定PWM波信号的占空比并输出PWM波电压信号，根据呼吸机气路的输出压力进行呼吸机气路的呼吸状态控制；气动比例阀根据PWM波信号的占空比，将驱动电路放大后的PWM波电压信号转换成平均电流值不同的电流信号，产生和平均电流值成比例关系的电磁推力推动气动比例阀的位置发生改变，控制呼吸机气路的流量。制呼吸机气路的流量。制呼吸机气路的流量。


技术研发人员：王一轩 石岩 李赫然 杨丽曼 许少峰 蔡茂林 孙治博 牛燕霞
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.07.20
技术公布日：2023/10/11