CN106975110A - 一种基于pid控制的负压引流装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于PID控制的负压引流装置及方法，所述装置包括控制盒和引流盒，其中，所述控制盒内设有控制模块，以及与控制模块相连的比较器、负压泵、显示模块和按键模块，所述引流盒内设有压力传感器，引流盒通过引流管与伤口相连，负压泵与引流盒相连，压力传感器的信号输出端分别与比较器和控制模块相连，控制模块通过输入的压力信号，根据PID控制算法调节负压泵的输出。上述基于PID控制的负压引流装置及方法，引流过程中采用PID闭环控制，控制模块进入低功耗模式后，无需定时唤醒，而是通过比较器将压力传感器采样值与预设值比较，低于预设值时，比较器才输出信号唤醒控制模块进入工作模式，启动负压泵，保证压力稳定、平稳。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于PID控制的负压引流装置及方法，属于医疗器械领域。
背景技术
伴随伤口护理技术的发展，目前已由普通敷料发展到带有负压引流仪的敷料，通过负压将伤口渗液，冲洗液引流出来，减少伤口细菌感染的几率，负压能促进组织生长，从而促进伤口愈合，缩短康复时间。正逐步进入医院、诊所或者家庭。
负压主要由负压泵提供，但目前市面上的产品负压泵控制方式都是采用通断电方式，主要存在两个弊端：首先，压力瞬间增大，因为负压泵启动时通电就全速，负压瞬间增大负压值；其次，压力不稳定，停止时负压首先上冲过限值，在低于限值反复震荡几次才能达到恒定值。
此外，现有技术中常规的便携式产品在空闲状态都会使MCU定时进入/离开低功耗模式，来降低产品耗电量，从而达到长时间使用，减少更换电池或者充电的目的。一般情况工作模式下电流：5-20mA根据不同MCU和外围决定，低功耗模式下电流：10-50uA。相差百倍。因此进入低功耗模式时间越长，产品越省电，但与之矛盾的是低功耗模式下产品不能检测负压压力值，使得负压压力波动大，不稳定。如启动气泵提供负压，当达到负压值后，主机进入MCU进入低功耗省电模式，通过内部定时出低功耗模式，进入工作模式通过AD转换器检测压力值，若压力值在偏差范围内则再次进入低功耗模式，定时后再出低功耗模式检测，反复切换工作模式和低功耗模式。问题在于如果将定时时间加长，则负压值反映速度变慢，即压力已经超出范围，MCU还没有开始检测并控制气泵，压力不稳定。如果定时时间减少，虽然增加了相应速读，同时增加工作时间，和AD采样次数，使得功耗增加。
有鉴于此，本发明人对此进行研究，专门开发出一种基于PID控制的负压引流装置及方法，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于PID控制的负压引流装置及方法。
为了实现上述目的，本发明的解决方案是：
一种基于PID控制的负压引流装置，包括控制盒和引流盒，其中，所述控制盒包括盒体，以及设置在盒体内的控制系统，所述控制系包括控制模块，以及与控制模块相连的比较器、负压泵、显示模块和按键模块，所述引流盒包括盒体，以及设置在盒体内的压力传感器，所述引流盒通过引流管与伤口处相连，所述负压泵与引流盒相连，通过负压泵使引流盒产生负压，所述压力传感器的信号输出端分别与比较器和控制模块相连，控制模块通过输入的压力信号调节负压泵的输出。
作为优选，所述控制模块采用MCU控制，通过MCU分析计算控制负压泵。
作为优选，所述比较器采用滞回比较器，滞回比较器具有两个动作阈值，输入电压高于高值或低于低值才有动作，大大减少因外界干扰而频繁唤醒MCU的几率，进而降低功耗。
作为优选，所述引流盒上设有引流液刻度，通过引流液刻度可以看清引流盒内积存的引流液体积。
作为优选，所述控制盒和引流盒通过连接件相互连接。
作为优选，所述控制系统进一步包括锂电池，通过锂电池为控制盒供电。
一种基于PID控制的负压引流方法，包括如下步骤：
步骤1）、通过按键模块输入预设压力；
步骤2）、控制模块启动负压泵，压力传感器采集引流盒内的压力值，并反馈给控制模块，当压力值达到预设压力时，负压泵停止工作，控制模块将预设压力值作为比较器参考电压后，进入低功耗模式；
步骤3）、当引流盒内压力逐步降低，小于预设压力后，比较器根据输入的压力信号唤醒控制模块，控制模块离开低功耗模式，并根据压力信号和PID控制算法控制负压泵的输出，直至压力值达到预设压力时，负压泵停止工作；
步骤4）重复步骤3），将引流盒的压力温度的设定值；
上述步骤3）所述的PID控制算法用于线性调节，将预设压力值r(t)与压力传感器采集值c(t)偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对外部控制，PID控制的微分方程：
式中
根据控制模块定时采样，将上式转化为数字PID控制器的差分方程
式中称为比例项
称为积分项
称为微分项
比例：体现对系统的偏差信号e(n)成比例，可以加快调节，减小误差；
积分：体现系统的偏差e(n)积累，只要有偏差积分部分就存在，消除稳态误差，提高无差度；
微分：体现系统偏差e(n)的变化趋势，具有遇见性，产生超前控制，减小调节时间。
以上方法能够改善压力达到限值时的波动，减小波动幅度以及减少调整时间。
作为优选，在上述PID控制算法中，进一步增加启动前置判断，用于减缓因突然启动引起负压泵震动，降低噪声，同时减小快速启动时的大电流冲击，减少多其他供电电路的影响及电磁兼容向外的辐射，具体为
当n<X，时，，，公式中只保留积分控制部分，
变化为：
（n<X）其中X根据采样周确定。
（n≥X）or
改良后的控制法，针对启动部分的前几个采样偏差处理，逐步增加，从而减缓启动速度。当启动后n≥X时，恢复采用步骤3）所述的PID控制算法，保证压力达到限值时稳定性。
本发明所述的基于PID控制的负压引流装置及方法，采用控制盒和引流盒可拆分结构，方便引流盒的及时更换，引流过程中采用PID闭环控制，控制模块进入低功耗模式后，无需定时唤醒，而是通过比较器将压力传感器采样值与预设值比较，低于预设值时，比较器才输出信号唤醒控制模块进入工作模式，启动负压泵，保证压力稳定、平稳。
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细描述。
附图说明
图1为本实施例的负压引流装置结构示意图；
图2为本实施例的引流盒体正视图；
图3为本实施例的控制框图。
具体实施方式
如1-3所示，一种基于PID控制的负压引流装置，包括控制盒1和引流盒2，其中，所述控制盒1包括控制盒体11，以及设置在控制盒体11内的控制系统，所述控制系包括控制模块12，以及与控制模块12相连的比较器13、负压泵14、显示模块15、按键模块16和锂电池17。所述引流盒2包括引流盒体21，以及设置在引流盒体21内的压力传感器22，所述引流盒体21通过引流管3与伤口处相连，所述负压泵14与引流盒2相连，通过负压泵14使引流盒体21内产生负压，进而通过引流管3将伤口处的引流液引入引流盒体21内。所述压力传感器22的信号输出端分别与比较器13和控制模块12相连，控制模块12通过输入的压力信号调节负压泵14的输出。通过锂电池17可以为控制系统供电。
在本实施例中，所述控制模块12采用MCU控制，具体可以采用型号为MSP430的超低功耗MCU，通过MCU分析、计算相关数据，进而控制负压泵输出。
所述比较器13采用滞回比较器，滞回比较器具有两个动作阈值，输入电压高于高值或低于低值才有动作，大大减少因外界干扰而频繁唤醒MCU的几率，进而降低功耗。
所述显示模块15采用低功耗的段码液晶屏，按键模块16包括菜单键，启动/停止键，上/下选择键。
所述引流盒体21上设有引流液刻度23，通过引流液刻度23可以非常直观地看清引流盒内积存的引流液体积。
为方便病人使用，所述控制盒1和引流盒2一般都采用连接件将两者绑定和粘黏，具体可以通过绑带、魔术贴、粘纸等实现。
上述基于PID控制的负压引流装置的引流方法，包括如下步骤：
步骤1）、通过按键模块16输入预设压力，显示模块用于显示各项参数；
步骤2）、控制模块12启动负压泵14，压力传感器21采集引流盒2内的压力值，并反馈给控制模块12，当压力值达到预设压力时，负压泵14停止工作，控制模块12将预设压力值作为比较器13参考电压后，进入低功耗模式；
步骤3）、当引流盒2内压力逐步降低，小于预设压力后，比较器13根据输入的压力信号唤醒控制模块12，控制模块12离开低功耗模式，并根据压力信号和PID控制算法控制负压泵14的输出，直至压力值达到预设压力时，负压泵14停止工作；
步骤4）重复步骤3），将引流盒2的压力温度的设定值；
上述步骤3）所述的PID控制算法用于线性调节，将预设压力值r(t)与压力传感器采集值c(t)偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对外部控制，PID控制的微分方程：
式中
根据控制模块12定时采样，将上式转化为数字PID控制器的差分方程
式中称为比例项
称为积分项
称为微分项
比例：体现对系统的偏差信号e(n)成比例，可以加快调节，减小误差；
积分：体现系统的偏差e(n)积累，只要有偏差积分部分就存在，消除稳态误差，提高无差度；
微分：体现系统偏差e(n)的变化趋势，具有遇见性，产生超前控制，减小调节时间。
以上PID控制算法能够改善压力达到限值时的波动，减小波动幅度以及减少调整时间。
在上述PID控制算法中，可以进一步增加启动前置判断，用于减缓因突然启动引起负压泵14震动，降低噪声，同时减小快速启动时的大电流冲击，减少多其他供电电路的影响及电磁兼容向外的辐射，具体为
当n<X，时，，，公式中只保留积分控制部分，
变化为：
（n<X）其中X根据采样周确定；
（n≥X）or
经过上述改良后的PID控制算法，针对启动部分的前几个采样偏差处理，逐步增加，从而减缓启动速度；当启动后n≥X时，恢复采用步骤3）所述的PID控制算法，保证压力达到限值时稳定性。
本实施例所述的基于PID控制的负压引流装置及方法，采用控制盒1和引流盒2可拆分结构，方便引流盒2的及时更换，引流过程中采用PID闭环控制，控制模块12进入低功耗模式后，无需定时唤醒，而是通过比较器13将压力传感器21采样值与预设值比较，低于预设值时，比较器13才输出信号唤醒控制模块12进入工作模式，启动负压泵14，保证压力稳定、平稳。
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。
Claims (8)
1.一种基于PID控制的负压引流装置，其特征在于：包括控制盒和引流盒，其中，所述控制盒包括盒体，以及设置在盒体内的控制系统，所述控制系包括控制模块，以及与控制模块相连的比较器、负压泵、显示模块和按键模块，所述引流盒包括盒体，以及设置在盒体内的压力传感器，所述引流盒通过引流管与伤口处相连，所述负压泵与引流盒相连，通过负压泵使引流盒产生负压，所述压力传感器的信号输出端分别与比较器和控制模块相连，控制模块通过输入的压力信号调节负压泵的输出。
2.如权利要求1所述的一种基于PID控制的负压引流装置，其特征在于：所述控制模块采用MCU控制。
3.如权利要求1所述的一种基于PID控制的负压引流装置，其特征在于：所述比较器采用滞回比较器。
4.如权利要求1所述的一种基于PID控制的负压引流装置，其特征在于：所述引流盒上设有引流液刻度。
5.如权利要求1所述的一种基于PID控制的负压引流装置，其特征在于：所述控制盒和引流盒通过连接件相互连接。
6.如权利要求1所述的一种基于PID控制的负压引流装置，其特征在于：所述控制系统进一步包括锂电池。
7.一种基于PID控制的负压引流方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1）、通过按键模块输入预设压力；
步骤2）、控制模块启动负压泵，压力传感器采集引流盒内的压力值，并反馈给控制模块，当压力值达到预设压力时，负压泵停止工作，控制模块将预设压力值作为比较器参考电压后，进入低功耗模式；
步骤3）、当引流盒内压力逐步降低，小于预设压力后，比较器根据输入的压力信号唤醒控制模块，控制模块离开低功耗模式，并根据压力信号和PID控制算法控制负压泵的输出，直至压力值达到预设压力时，负压泵停止工作；
步骤4）重复步骤3），将引流盒的压力温度的设定值；
上述步骤3）所述的PID控制算法用于线性调节，将预设压力值r(t)与压力传感器采集值c(t)偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对外部控制，PID控制的微分方程：
式中
根据控制模块定时采样，将上式转化为数字PID控制器的差分方程
式中称为比例项
称为积分项
称为微分项
比例：体现对系统的偏差信号e(n)成比例；
积分：体现系统的偏差e(n)积累；
微分：体现系统偏差e(n)的变化趋势。
8.一种基于PID控制的负压引流方法，其特征在于：在上述PID控制算法中，进一步增加启动前置判断，具体为
当n<X，时，，，公式中只保留积分控制部分，
变化为：
（n<X）其中X根据采样周确定。
（n≥X）or 。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20170725 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |