CN105700578B - 一种制氧机氧气流量控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种制氧机氧气流量控制系统，包括：设置在输气管上的氧气流量传感器、设置在输气管上的节流阀、通过自身转动调节所述节流阀的阀门开闭的电机、控制板；氧气流量传感器、电机分别与控制板连接；控制板，根据氧气流量传感器检测的氧气流量，通过控制电机工作状态调节节流阀阀门的开闭来调节氧气流量大小。本发明实时连续控制氧气流量，控制结果精准、稳定，可将误差控制在±0.1L/min以下，且调节过程迅速，省时省力，功能全面、组成简单、系统集成度好、成本大幅缩减、产品化难度地，对制氧机的智能化升级具有革命性的现实意义。

Description

一种制氧机氧气流量控制系统及方法

技术领域

本发明涉及制氧机氧气流量控制领域，具体涉及一种制氧机氧气流量控制系统及其控制方法。

背景技术

随着人们生活水平的不断提高和改善，对健康的需求逐渐增强，吸氧将逐步成为家庭和社区康复中的一种手段。变压吸附法制氧机是利用分子筛物理吸附和解吸技术，将空气中的氮气吸附，经净化处理后得到高纯度氧气。在氧疗和氧康复中，吸氧过少达不到疗养效果，吸氧过度则造成危害，因此控制氧流量至关重要。现有制氧机中，一般采用转子流量计或电磁阀加微孔的流量控制方案，但是转子流量计调节属于机械式调节，调节过程麻烦且调节结果不准；电磁阀加微孔控制流量只能实现流量的固定档位的调节，不能实现流量的连续可调，且成本较高。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供流量可连续调节、调节准确、成本较低的制氧机氧气流量控制系统及其控制方法。

本发明的技术方案是：制氧机氧气流量控制系统，包括：设置在输气管上的氧气流量传感器、设置在输气管上的节流阀、通过自身转动调节所述节流阀的阀门开闭电机、控制板；

所述氧气流量传感器、电机分别与控制板连接；

所述控制板，根据氧气流量传感器检测的氧气流量，通过控制电机工作状态调节节流阀阀门的开闭来调节氧气流量大小。

进一步地，所述控制板采用PID算法控制电机工作状态。

进一步地，还包括：与所述控制板连接的目标流量输入设备。

进一步地，所述目标流量输入设备包括：红外遥控器或设置有流量调节按键的显示屏。

进一步地，所述流量调节按键为触摸按键。

进一步地，所述控制板采用模块化设计，所述控制板包括MCU主控芯片。

进一步地，所述控制板还包括：用于与电机连接的电机驱动模块、用于与氧气流量传感器连接的传感器通信接口模块；所述电机驱动模块、传感器通信接口模块均与MCU主控芯片连接。

进一步地，所述控制板还包括：用于与显示屏连接的显示驱动模块、用于与红外遥控器无线通信的红外接口模块；所述显示驱动模块、红外接口模块均与 MCU主控芯片连接。

制氧机氧气流量控制方法，包括以下步骤：

S1：控制板判断是否设定氧气目标流量值，若是，进入下一步，否则继续判断系统是否设定目标流量值；

S2：氧气流量传感器测量氧气实际流量值，并将测得的实际流量值传输给控制板；

S3：控制板计算第n次取样，实际流量值与目标流量值的差值e(n)；

S4：控制板判断差值e(n)的绝对值是否小于等于极小值ε，若是，控制板控制电机停止，并返回步骤S1，否则，进入下一步；

S5：控制板调用内存参数A、B、C、e(n-1)、e(n-2)；其中A＝K_P+K_I+K_D， B＝K_P+2K_D，C＝K_D，K_P为PID算法的比例调节系数，K_I为PID算法的积分调节系数， K_D为PID算法的微分调节系数，e(n-1)为第n-1次取样实际流量值与目标流量值的差值，e(n-2)为第n-2次取样实际流量值与目标流量值的差值；

S6：控制板计算电机转动步数△u，△u＝Ae(n)-Be(n-1)+Ce(n-2)；同时给e(n-1)和e(n-2)重新赋值，进行数据更新，即将e(n-2)的值用e(n-1) 代替，e(n-1)的值用e(n)代替；

S7：判断电机转动步数△u是否大于等于零，若是，控制板控制电机正转，否则，控制板控制电机反转。

进一步地，步骤S4和S7之间还包括以下步骤S5’和S6’：

S5’：调用内存参数k、b；

步骤S7还包括：控制板根据步骤S6’计算的电机转速结果控制电机转速。

本发明提供的制氧机氧气流量控制系统，氧气流量传感器实时检测输气管内的氧气流量，并将氧气流量值传输给控制板，控制板根据接收到的氧气流量值，实时控制电机的正转、反转或停止等工作状态，电机转动调节节流阀阀门的开闭，从而达到实时连续控制氧气流量的目的，控制结果精准、稳定，可将误差控制在±0.1L/min以下，且调节过程迅速，省时省力。氧气流量传感器可采用制氧机原有配置的氧浓度/流量测量模块，这样仅在增加电机和节流阀的低廉成本的基础上，就可实现高智能化的流量调节。本发明精度高、功能全面、组成简单、系统集成度好、成本大幅缩减、产品化难度地，对制氧机的智能化升级具有革命性的现实意义。

附图说明

图1是本发明具体实施例硬件结构原理图。

图2是本发明具体实施例PID原理框图。

图3是本发明具体实施例控制方法流程图。

图中，1-电机，2-节流阀，3-控制板，4-显示屏，5-红外遥控器，6-氧气流量传感器，71、72、73-输气管，81、82、83-排线，21-节流阀进气口，22-节流阀出气口，31-显示驱动模块，32-电机驱动模块，33-传感器通信接口，34-红外接收模块，35-MCU主控芯片，41-流量调节按键。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明进行详细阐述，以下实施例是对本发明的解释，而本发明并不局限于以下实施方式。

如图1所示，本发明提供的制氧机流量控制系统，包括设置在输气管72、 73上的氧气流量传感器6、设置在输气管71、72上的节流阀2、通过自身转动调节节流阀2阀门开闭的电机1、控制板3；氧气流量传感器6、电机1分别与控制板3连接，控制板3根据氧气流量传感器6检测的氧气流量，通过控制电机1工作状态调节节流阀2阀门的开闭来调节氧气流量大小。需要说明的是，电机 1可采用微型步进电机，使整体结构紧凑简单，且控制方便精确。

本系统还包括目标流量输入设备，其与控制板3连接，用于输入目标流量值。目标流量输入设备可以是红外遥控器5或设置有流量调节按键41的显示屏4，显示屏4可用于显示实时氧气流量，通过操作流量调节按键41设置目标流量值，流量调节按键41采用触摸式按键，避免机械旋钮反复调节的麻烦，使用寿命长。

控制板3包括MCU主控芯片35、用于通过排线82与电机1连接的电机驱动模块32、用于通过排线83与氧气流量传感器6连接的传感器通信接口模块33、用于通过排线81与显示屏4连接的显示驱动模块31、用于与红外遥控器5无线通信的红外接口模块34。电机驱动模块32、传感器通信接口模块33、显示驱动模块31、红外接口模块34分别与MCU主控芯片35连接。

如图2所示，本系统控制板采用PID算法控制电机工作状态，数据量小，运算量小，原理可靠，程序代码少，控制精确稳定。为方便理解，对PID算法加以介绍：

上述两式相减得：Δu(n)＝K_P[e(n)-e(n-1)]+K_Ie(n)+K_D(e(n)- 2e(n-1)+e(n-2))。

为方便编程，上式可以写为：Δu(n)＝Ae(n)-Be(n-1)+Ce(n-2)，其中A＝K_P+K_I+K_D，B＝K_P+2K_D，C＝K_D。该式为增量式PID算法的实用计算公式。

PID算法应用于本系统的电控流量阀，如图2所示，其中f_i为设定的目标流量值，f_c为实时测量得到的实际流量值，f_o为最终实际输出的流量值。e为f_i与 f_c的差值。Δu为PID控制器的输出量。图中所示输入设备为目标流量输入设备，包括流量调节按键42、红外遥控器5等。所示电机1包括与其所连接的节流阀2 结构，通过电机1的转动调节节流阀2的阀门开闭来调节流量大小。

如图3所示，本系统制氧机氧气流量控制方法，包括以下步骤：

S1：控制板判断是否设定氧气目标流量值，若是，进入下一步，否则继续判断系统是否设定目标流量值；

S2：氧气流量传感器测量氧气实际流量值，并将测得的实际流量值传输给控制板；

S3：控制板计算第n次取样的实际流量值与目标流量值的差值e(n)；

S4：控制板判断差值e(n)的绝对值是否小于等于极小值ε，若是，控制板控制电机停止，并返回步骤S1，否则，进入下一步；需要说明的是，定义极小值ε，当|e(n)|≤ε时，认为系统达到稳定状态，可以判定为PID调节完成，ε值的选取可根据实际情况折衷选取，ε越大，调节效果越差，最终结果误差越大；ε值越小，调节时间越长，系统越难稳定，容易出现振荡；

S5：控制板调用内存参数A、B、C、e(n-1)、e(n-2)；其中A＝K_P+K_I+K_D， B＝K_P+2K_D，C＝K_D，K_P为PID算法的比例调节系数，K_I为PID算法的积分调节系数， K_D为PID算法的微分调节系数，e(n-1)为第n-1次取样实际流量值与目标流量值的差值，e(n-2)为第n-2次取样实际流量值与目标流量值的差值；

S6：控制板计算电机转动步数△u，△u＝Ae(n)-Be(n-1)+Ce(n-2)；同时给e(n-1)和e(n-2)重新赋值，进行数据更新，即将e(n-2)的值用e(n-1) 代替，e(n-1)的值用e(n)代替，以给下一次运算使用；

S7：调用内存参数k、b；

S9：判断电机转动步数△u是否大于等于零，若是，控制板控制电机正转，否则，控制板控制电机反转；同时控制板根据步骤S8计算的电机转速结果控制电机转速

本系统根据实际流量值与目标流量值差值的大小来调整电机的转速，其基本调节原则为：当实际流量值与目标流量值相差较大时，增大电机转速，使实际流量值快速逼近目标流量值；当实际流量值与目标流量值相近时，减小电机转速，使实际流量值稳步逼近目标流量值，防止超调和振荡。因此可用简单的一次函数实现变速控制：

以上公开的仅为本发明的优选实施方式，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的没有创造性的变化，以及在不脱离本发明原理前提下所作的若干改进和润饰，都应落在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种制氧机氧气流量控制方法，其特征在于，制氧机氧气流量控制系统包括：设置在输气管上的氧气流量传感器、设置在输气管上的节流阀、通过自身转动调节所述节流阀的阀门开闭的电机、控制板；

所述氧气流量传感器、电机分别与控制板连接；

所述控制板，根据氧气流量传感器检测的氧气流量，通过控制电机工作状态调节节流阀阀门的开闭来调节氧气流量大小；

所述控制板采用PID算法控制电机工作状态；

还包括：与所述控制板连接的目标流量输入设备；

所述目标流量输入设备包括：红外遥控器或设置有流量调节按键的显示屏；

所述流量调节按键为触摸按键；

所述控制板采用模块化设计，所述控制板包括MCU主控芯片；

所述控制板还包括：用于与电机连接的电机驱动模块、用于与氧气流量传感器连接的传感器通信接口模块；所述电机驱动模块、传感器通信接口模块均与MCU主控芯片连接；

所述控制板还包括：用于与显示屏连接的显示驱动模块、用于与红外遥控器无线通信的红外接口模块；所述显示驱动模块、红外接口模块均与MCU主控芯片连接；

所述制氧机氧气流量控制方法，包括以下步骤：

S1：控制板判断是否设定氧气目标流量值，若是，进入下一步，否则继续判断系统是否设定目标流量值；

S2：氧气流量传感器测量氧气实际流量值，并将测得的实际流量值传输给控制板；

S3：控制板计算第n次取样的实际流量值与目标流量值的差值e(n)；

S4：控制板判断差值e(n)的绝对值是否小于等于极小值ε，若是，控制板控制电机停止，并返回步骤S1，否则，进入下一步；

S5：控制板调用内存参数A、B、C、e(n-1)、e(n-2)；其中A＝K_P+K_I+K_D，B＝K_P+2K_D，C＝K_D，K_P为PID算法的比例调节系数，K_I为PID算法的积分调节系数，K_D为PID算法的微分调节系数，e(n-1)为第n-1次取样实际流量值与目标流量值的差值，e(n-2)为第n-2次取样实际流量值与目标流量值的差值；

S6：控制板计算电机转动步数△u，△u＝Ae(n)-Be(n-1)+Ce(n-2)；同时给e(n-1)和e(n-2)重新赋值，进行数据更新，即将e(n-2)的值用e(n-1)代替，e(n-1)的值用e(n)代替；

S7：判断电机转动步数△u是否大于等于零，若是，控制板控制电机正转，否则，控制板控制电机反转。

2.根据权利要求1所述的制氧机氧气流量控制方法，其特征在于，

步骤S4和S7之间还包括以下步骤S5’和S6’：

S5’：调用内存参数k、b；

S6’：根据一次函数计算电机转速，其中y代表电机转速，y_max为电机最大转速值，y_min为电机最小转速值，e代表目标流量值与实测流量值的差值，k和b都是常数，k和b的值根据实际情况在测试中整定；

步骤S7还包括：控制板根据步骤S6’计算的电机转速结果控制电机转速。