CN103028170B

CN103028170B - 一种呼吸压力模糊控制式呼吸机及呼吸压力模糊控制方法

Info

Publication number: CN103028170B
Application number: CN201110294524.2A
Authority: CN
Inventors: 汪家旺
Original assignee: NANJING PUAO MEDICAL EQUIPMENT CO Ltd
Current assignee: NANJING PUAO MEDICAL EQUIPMENT CO Ltd
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2016-09-14
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: CN103028170A

Abstract

本发明涉及呼吸机，公开了一种呼吸压力模糊控制式呼吸机及呼吸压力模糊控制方法。本发明通过模本实施例中通过模糊PID控制器输出实际控制量控制各部件的动作，而各传感器收集各部位信号变量传输至模糊PID控制器内进行模糊控制运算，其中吸气电磁比例阀可以通过相应的控制信号（电压或电流信号）来控制阀孔开度在一定范围内连续变化，模糊PID控制器可以通过控制各阀的开度，控制进入后级气路的流量在一定范围内连续变化，进而控制气道压力。使得病人使用本呼吸机，呼吸更舒适、更安全。

Description

一种呼吸压力模糊控制式呼吸机及呼吸压力模糊控制方法

技术领域

本发明涉及呼吸机，尤其涉及一种呼吸压力模糊控制式呼吸机及呼吸压力模糊控制方法。

背景技术

呼吸肌是指与呼吸运动有关的肌肉。包括肋间外肌和膈肌，胸锁乳突肌、背部肌群、胸部肌群等等。

呼吸机是一种能代替、控制或改变人的正常生理呼吸，增加肺通气量，改善呼吸功能，减轻呼吸功消耗，节约心脏储备能力的装置。

现有的呼吸机通常具备四个基本功能，即向肺充气、吸气向呼气转换，排出肺泡气以及呼气向吸气转换，依次循环往复。包括：⑴能提供输送气体的动力，代替人体呼吸肌的工作；⑵能产生一定的呼吸节律，包括呼吸频率和吸呼比，以代替人体呼吸中枢神经支配呼吸节律的功能；⑶能提供合适的潮气量（VT）或分钟通气量（MV），以满足呼吸代谢的需要；⑷供给的气体最好经过加温和湿化，代替人体鼻腔功能，并能供给高于大气中所含的O2量，以提高吸入O2浓度，改善氧合。动力源：可用压缩气体作动力（气动）或电机作为动力（电动）呼吸频率及吸呼比亦可利用气动气控、电动电控、气动电控等类型，呼与吸气时相的切换，常于吸气时于呼吸环路内达到预定压力后切换为呼气（定压型）或吸气时达到预定容量后切换为呼气（定容型），不过现代呼吸机都兼有以上两种形式。

PID控制是工业生产过程中最常见的控制方法，有着实现简便、使用灵活等优势。PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t)与输出u (t)的关系为：

u(t)=kp(e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt)；

式中积分的上下限分别是0和t ，因此它的传递函数为：

G(s)=U(s)/E(s)=kp(1+1/(TI*s)+TD*s)；

其中kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数。比例单元能够及时的反应误差情况，并提供对应的纠正；积分单元能够消除系统的静差，增加控制的准确度；微分单元能够感知信号变化趋势，提前修正偏差。

呼吸机控制的发展经历了由开环到闭环，由单变量控制、单变量反馈到多变量控制、多变量反馈的演化。传统的呼吸机控制方法的理论基础为基于固定数学模型的经典控制理论，但是由于人体的生理变化等诸多因素是时变非线性的，呼吸机的数学模型实际应为时变非线性模型，因此传统的定容型呼吸机和定压型呼吸机及其控制方法导致了实际应用时某些情况下的控制无效性。另外调节器参数与呼吸机系统所处的稳态工作状况有关，因此对于PID参数整定就有相当的工作量。当被控对象发生变化时，需要调节器参数作出相应的调整。由于调节器的参数是根据过程参数整定的，所以没有“自适应能力”，只有靠人工重新整定参数。但是由于控制过程的连续性和参数整定需要的时间，使得重新整定实际很难执行，在实际控制中几乎是无法完成的。在实际应用中，通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了，但控制的效果较差。并且采用传统PID算法控制器的呼吸机有时会产生一冲一冲的感觉，无法跟踪病人的呼吸，往往造成人机对抗，使用舒适感较差，严重时甚至会造成医疗事故。

发明内容

本发明的第一发明目的在于提供一种呼吸更舒适、更安全的呼吸压力模糊控制式呼吸机。

一种呼吸压力模糊控制式呼吸机，包括吸气回路、呼气回路、面罩；所述吸气回路、呼气回路同时连接面罩；还包括用于控制吸气回路、呼气回路内各部件动作的模糊PID控制器。

根据上述结构，本发明一种呼吸压力模糊控制式呼吸机能够根据各传感器获取输入信号变量，通过模糊PID控制模糊控制后输出实际输出量，使本发明使用的过程中，更符合人体呼吸的方式，呼吸更舒适、更安全。

可选的，所述呼气回路包括呼气电磁比例阀、呼气单向阀；所述呼气电磁比例阀连接所述面罩，并且在两者之间还连接有第一流量传感器、第一压力传感器；所述呼气单向阀连接呼气电磁比例阀。

通过以上结构，本发明一种呼吸压力模糊控制式呼吸机能够获取呼气流量信号、呼气压力信号，呼气电磁比例阀用于控制呼气的流量及流速，呼气单向阀用于控制呼气的流向。

所述吸气回路包括空氧混合器、吸气控制阀、吸气电磁比例阀、湿化器、储气筒、氧气输入单向阀、空气输入单向阀、调压阀、精密调压阀、减压阀；所述吸气电磁比例阀连接所述面罩，并且在两者之间还连接有第二流量传感器、氧浓度传感器、第二压力传感器；所述湿化器通过精密调压阀串联吸气电磁比例阀；所述储气筒连接湿化器；所述空氧混合器连接储气筒；所述氧气输入单向阀与空氧混合器、空气输入单向阀与空氧混合器分别通过调压阀串联，并且在氧气输入单向阀与空气输入单向阀之间并行连接有压力平衡电磁阀；所述吸气控制阀一端通过减压阀连接空氧混合器，另一端连接吸气电磁比例阀。

通过以上结构，本发明一种呼吸压力模糊控制式呼吸机能够获取吸气流量信号、吸气压力信号、氧浓度信号；其中氧气输入单向阀用于控制氧气输入的流向；空气输入单向阀用于控制空气输入的流向；空氧混合器用于混合输入的氧气和空气；压力平衡电磁阀用于控制混合气体的含氧量；调压阀用于降低氧气输入、空气输入的气压；吸气控制阀用于控制气体的流量；吸气电磁比例阀用于精确控制吸气流量的大小，提高了气体流量及流速的控制，更符合人体呼吸的频率，使得使用更舒适。

可选的，还包括连接所述氧气输入单向阀的低氧报警器。使得本发明在输入氧气量低于需要输入值时能够自动报警，提高了安全性。

可选的，还包括连接所述空气输入单向阀的空气报警器。使得本发明在输入空气量低于需要输入值时能够自动报警，提高了安全性。

本发明的另一发明目的在于提供一种呼吸压力模糊控制方法。

初始状态下工作的呼吸机内的模糊PID控制器通过各传感器获取输入信号变量，模糊控制后输出实际控制量；所述模糊控制包括：输入信号变量模糊化：将输入信号变量值转换成机器语言；模糊推理：根据模糊推理算法，得出与输入信号变量值对应的模糊控制量；模糊控制量解模糊：根据解模糊算法，解模糊所述的模糊控制量，得出实际控制量。

可选的，所述的输入信号变量包括：呼气压力信号、呼气流量信号、吸气压力信号、吸气流量信号、氧浓度信号。

根据上述内容，本发明能够提供一种呼吸更舒适、更安全的呼吸压力模糊控制式呼吸机、以及一种能够实现呼吸机的呼吸压力模糊控制的方法。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明实施例1提供的一种气路原理图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1所示，本实施例公开了一种呼吸压力模糊控制呼吸机。

其中一种呼吸压力模糊控制呼吸机包括吸气回路、呼气回路、面罩100；吸气回路、呼气回路同时连接面罩100；还包括用于控制吸气回路、呼气回路内各部件动作的模糊PID控制器（未图示）。其中呼气回路包括呼气电磁比例阀210、呼气单向阀220；呼气电磁比例阀210连接面罩100，并且在两者之间还连接有第一流量传感器211、第一压力传感器212；呼气单向阀220连接呼气电磁比例阀210。吸气回路中包括空氧混合器350、吸气控制阀320、吸气电磁比例阀310、湿化器330、储气筒340、氧气输入单向阀360、空气输入单向阀370、调压阀（361、371）、精密调压阀311、减压阀321；吸气电磁比例阀310连接面罩100，并且在两者之间还连接有第二流量传感器301、氧浓度传感器303、第二压力传感器302；湿化器330通过精密调压阀311串联吸气电磁比例阀310；储气筒340连接湿化器330；空氧混合器350连接储气筒340；氧气输入单向阀360与空氧混合器350、空气输入单向阀370与空氧混合器350分别通过调压阀（361、371）串联，并且在氧气输入单向阀360与空气输入单向阀370之间并行连接有压力平衡电磁阀380；吸气控制阀320一端通过减压阀320连接空氧混合器350，另一端连接吸气电磁比例阀310；氧气输入单向阀360连接有低氧报警器362；空气输入单向阀370连接有空气报警器372。

本实施例中通过模糊PID控制器（未图示）输出实际控制量控制各部件的动作，而各传感器收集各部位信号变量传输至模糊PID控制器内进行模糊控制运算，其中吸气电磁比例阀可以通过相应的控制信号（电压或电流信号）来控制阀孔开度在一定范围内连续变化，模糊PID控制器可以通过控制各阀的开度，控制进入后级气路的流量在一定范围内连续变化，进而控制气道压力。

本发明中呼吸压力模糊控制方法中的模糊控制是一种基于语言规则与模糊推理的控制理论，是智能控制的一个重要分支。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法。由于控制方法能模拟人的思维方式实现控制，所以不需要被控对象具有精确的数学模型，在对复杂的时便非线性系统的控制上，较传统控制方法有很大的优势。

模糊控制的过程可以分为：

（1）输入信号变量模糊化：将输入信号变量值转换成机器语言；

（2）模糊推理：根据模糊推理算法，得出与输入信号变量值对应的模糊控制量；

（3）模糊控制量解模糊：根据解模糊算法，解模糊所述的模糊控制量，得出实际控制量。

要实现模糊控制，首先要对输入参数模糊化，将输入变量值转换成相应的语言描述。根据规则库提供的模糊推理算法，得到与输入变量值相应的控制量即模糊推理的过程。模糊推理得到的输出控制量经过模糊推理得到的值按照解模糊算法，给出一个确定的控制量。PID控制在静差消除和控制精度上都有比较大的优势，但PID控制要求控制对象为线性系统（或可简化为线性时不变系统）。呼吸机在工作时，整个系统呈非线性，且对于不同病人或同一病人的不同时期，系统差异会比较大，采用模糊控制和PID控制相结合的控制方法。针对系统的即时状态，通过模糊控制来改变PID控制器的系数，使之与当前系统特性相符，以得到理想的控制效果。

下面以本发明一种呼吸压力模糊控制式呼吸机为例：

常见呼吸机压力控制范围为0-120cmH₂O，常用范围为0-40 cmH₂O。

输入信号变量模糊化：根据本发明压力控制特性，选取压力误差e的基本论域为 [-15cmH₂O，15cmH₂O]，量化论域为[-6，6]，词集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，隶属函数为高斯形函数。误差变化率Δe的基本论域为[-4cmH₂O，4cmH₂O] ，量化论域为[-6，6]，词集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，隶属函数为高斯形函数。

模糊推理：模糊控制算法是模糊PID控制器的核心，根据控制原理，结合实际调试结果来得到模糊控制的规则。

数字PID控制器工作时，t时刻输出控制量：

（1）u(t)=Kp*e(t)+Ki*Σe(t)+Kd[e(t-1)-e(t-2)]

k时刻控制量比k-1时控制量的增量即：Δu(k)=u(k)-u(k-1)，由公式：

（2）Δu(k)=Kp*Δe(k)+Ki*e(k)+Kd*[Δe(k) -Δe(k-1)]；

式中Δe(k)= e(k) -e(k-1)暂时不考虑微分作用，在偏差较大时，要求取较大的Ki值，Kp取较小的值，可以迅速的消除误差；当被控对象接近设定值时，则要求减小Ki值，增加Kp的值，可以避免积分带来超调。由于Ki和Kp的调节方向相反，可以只使用一个可变因子来实现对Ki和Kp的调节。

根据以上分析，设调节因子为α(t)，则Ki和Kp的调节关系：

（3） Ki(t)=Ki(0)*(1/α(t)) ；

（4）Kp(t)=Kp(0)*(1+α(t))/2 ；

式中α(t)由模糊控制产生，用于实时调节Ki和Kp。模糊控制环节产生模糊控制量μ(t)，进而控制调节因子α(t)：

（5）α(t)= α(t-1)+0.1μ(t)；

分析模糊控制输出μ(t)的调节规律，结合设计经验及实验验证结果，最终确定模糊控制规则表如表1所示：

e

NB

NM

NS

ZO

PS

PM

PB

Δe

μ

NB

PB

PS

ZO

NB

NM

PB

PM

PS

ZO

NM

NS

PB

PM

PS

ZO

NM

NS

ZO

PS

NS

ZO

PS

PB

PM

NM

ZO

PS

PB

NB

NM

ZO

PM

PB

表1 模糊控制规则

模糊控制量解模糊：呼吸机的控制频率为25Hz，常见呼吸机提供的呼吸频率10-40次/分钟，通过估算和实验，得出μ(t)基本论域为[-2，2]时能够满足系统对于Ki和Kp的调节需求。μ(t)量化论域为[-6，6]，词集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，隶属函数为三角形函数。输出量的反模糊化，采用重心计算。对于输出量，为了方便调整量输出的计算过程，将μ(t)做量化处理，以0.5为步长，将输出量量化为{-2，-1.5，-1，-0.5，0，0.5，1，1.5，2}。由以上确定的输入、输出及控制规则，在矩阵实验室（Matlab）中对模糊控制过程进行仿真。通过仿真计算，得到最终模糊控制量查询如表2所示：

	e	-6	-5	-4	-3	-2	-1	0	1	2	3	4	5	6
															Δe	μ
-6		2	1.5	1.5	1	0.5	0.5	0	-1	-1.5	-1.5	-1.5	-2	-2
															-5		1.5	1.5	1.5	1	0.5	0.5	0	-1	-1.5	-1.5	-1.5	-1.5	-2
-4		1.5	1.5	1.5	1	0.5	0.5	0	-0.5	-1	-1.5	-1.5	-1	-1.5
															-3		1.5	1.5	1.5	1	0.5	0.5	0	-0.5	-1	-1.5	-1.5	-1	-1
-2		1.5	1	1	1	0.5	0.5	0	-0.5	-1	-1	-1	-1	-1
															-1		0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0	-0.5	-0.5	-0.5	-0.5	-0.5	-0.5
0		0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
															1		-0.5	-0.5	-0.5	-0.5	-0.5	-0.5	0	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5	0.5
2		-0.5	-0.5	-0.5	-0.5	-0.5	-0.5	0	0.5	0.5	0.5	0.5	1	1.5
															3		-1	-1	-1	-1	-0.5	-0.5	0	0.5	0.5	1	1	1	1.5
4		-1.5	-1.5	-1.5	-1	-0.5	-0.5	0	0.5	0.5	1	1.5	1.5	1.5
															5		-1.5	-1.5	-1.5	-1	-1	-0.5	0	0.5	1	1	1.5	1.5	2
6		-2	-2	-1.5	-1.5	-1	-0.5	0	0.5	1	1.5	1.5	2	2

表2 模糊控制查询表

将呼吸机设定高压为15 cmH₂O，低压为7cmH₂O，采用临界灵敏度法，确定吸气相和呼气相的PID控制系数：Kp，Ki，Kd，以此作为系统PID参数。从稳定性、准确性和控制速度三个方面来评价两种控制方法在高压、中压和低压三个压力段的控制效果。对控制效果评价见表3：

表3 两种控制方法指标对照表

模糊控制在压力接近设置量时间小了积分系数，在三个压力段压力切换时都没有出现超调现象。在实际应用时，吸气和呼气初期不会给病人造成一冲一冲的感觉，增加了呼吸的舒适度。在压力控制误差上，模糊控制在低压和高压段的准确度高于传统的PID控制，在中压段虽然不如传统的PID准确，但误差控制也比较理想(<5%)。在控制用时上，高压向低压切换时，模糊控制由于消除了超调，模糊控制所用的控制时间少于传统的PID控制；在低压向高压切换时，在高压段，由于模糊控制的积分系数衰减较多，导致控制时间较长，在中压和低压段等于或少于传统PID控制的用时。

以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种呼吸压力模糊控制式呼吸机，其特征在于：

包括吸气回路、呼气回路、面罩；所述吸气回路、呼气回路同时连接面罩；还包括用于控制吸气回路、呼气回路内各部件动作的模糊PID 控制器；

所述呼气回路包括呼气电磁比例阀、呼气单向阀；所述呼气电磁比例阀连接所述面罩，并且在两者之间还连接有第一流量传感器、第一压力传感器；所述呼气单向阀连接呼气电磁比例阀；所述吸气回路包括空氧混合器、吸气控制阀、吸气电磁比例阀、湿化器、储气筒、氧气输入单向阀、空气输入单向阀、调压阀、精密调压阀、减压阀；所述吸气电磁比例阀连接所述面罩，并且在两者之间还连接有第二流量传感器、氧浓度传感器、第二压力传感器；所述湿化器通过精密调压阀串联吸气电磁比例阀；所述储气筒连接湿化器；所述空氧混合器连接储气筒；所述氧气输入单向阀与空氧混合器、空气输入单向阀与空氧混合器分别通过调压阀串联，并且在氧气输入单向阀与空气输入单向阀之间并行连接有压力平衡电磁阀；所述吸气控制阀一端通过减压阀连接空氧混合器，另一端连接吸气电磁比例阀；还包括连接所述氧气输入单向阀的低氧报警器。

2.根据权利要求1 所述的一种呼吸压力模糊控制式呼吸机，其特征在于：还包括连接所述空气输入单向阀的空气报警器。