CN114209938A - 一种用于呼吸机的压力控制方法及控制系统 - Google Patents

一种用于呼吸机的压力控制方法及控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于医疗设备的压力控制技术领域，具体地说，涉及一种用于呼吸机的压力控制方法，该方法包括：在当前的呼吸机压力控制通气模式下，设定目标压力值；根据实时采集的实际压力值，结合设定的目标压力值，获取二者的偏差；根据二者的偏差，开启选择开关，选择Bang‑Bang控制器或PID控制器，输出对应的压力控制量；根据输出的对应的压力控制量，对呼吸机进行上升压力控制。

Description

一种用于呼吸机的压力控制方法及控制系统
技术领域
本发明属于医疗设备的压力控制技术领域，具体地说，涉及一种用于呼吸机的压力控制方法及控制系统。
背景技术
呼吸机的基本工作原理是通过建立气道和肺泡之间的压力差来实现机械通气，因此，压力的控制是呼吸机控制的基础。呼吸机压力的控制不仅关系到通气效果和舒适度，而且失控的压力甚至会大大降低用户体验感。现在对于呼吸机的压力控制通气采用的是普通PID控制方式(proportional-integral-derivative control，简称比例积分微分控制)，这种方法虽然比较简单，但是，压力的上升速度与稳定性存在相互矛盾的关系，PID的参数是一成不变的，不能够同时实现压力的快速响应与控制的稳定性；如果PID的参数设置太小，压力上升速度太慢，降低舒适度；如果PID的参数设置太大容易产生压力冲击，对呼吸机造成损坏。
发明内容
为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种用于呼吸机的压力控制方法，该方法将Bang-Bang控制与PID进行结合，在特定的时段采用PID控制进行对压力控制，既能够提高快速性，使得压力快速响应，又能够在压力稳定处降低压力的冲击，更加舒适。
本发明提供了一种用于呼吸机的压力控制方法，该方法包括：
在当前的呼吸机压力控制通气模式下，设定目标压力值；
根据实时采集的实际压力值，结合设定的目标压力值，获取二者的偏差；
根据二者的偏差，开启选择开关，选择Bang-Bang控制器或PID控制器，输出对应的压力控制量；
根据输出的对应的压力控制量，对呼吸机进行上升压力控制。
作为上述技术方案的改进之一，所述根据实时采集的实际压力值，结合设定的目标压力值，获取二者的偏差；其具体过程为：
利用设置在呼吸机内的压力传感器实时采集实际压力值，记为P1；结合设定的目标压力值P2，获取二者的偏差e(k):
e(k)＝P2-P1。
作为上述技术方案的改进之一，所述根据二者的偏差，开启选择开关，选择Bang-Bang控制器或PID控制器，输出对应的压力控制量；其具体实现过程为：
根据二者的偏差e(k)，以及采用下述的控制算法：
Figure BDA0003369112400000021
其中，Kp，Ki，Kd分别为PID控制器的比例常数、积分常数和微分常数；β为预先设定的阈值；
判断该偏差e(k)位于哪个压力控制区间；
如果e(k)>β，则选择Bang-Bang控制器进行控制，输出对应的压力控制量u(k)＝umax；
如果e(k)<-β，则选择Bang-Bang控制器进行控制，输出对应的压力控制量u(k)＝umin；
如果-β<e(k)<β，则选择PID控制器进行控制，输出对应的压力控制量
Figure BDA0003369112400000022
本发明还提供了一种用于呼吸机的压力控制系统，该系统包括：
目标压力设定模块，用于在当前的呼吸机压力控制通气模式下，设定目标压力值；
偏差获取模块，用于根据实时采集的实际压力值，结合设定的目标压力值，获取二者的偏差；
控制器选择模块，用于根据二者的偏差，开启选择开关，选择Bang-Bang控制器或PID控制器，输出对应的压力控制量；和
控制模块，用于根据输出的对应的压力控制量，对呼吸机进行上升压力控制。
作为上述技术方案的改进之一，所述偏差获取模块的具体实现过程为：
利用设置在呼吸机内的压力传感器实时采集实际压力值，记为P1；结合设定的目标压力值P2，获取二者的偏差e(k):
e(k)＝P2-P1。
作为上述技术方案的改进之一，所述控制器选择模块的具体实现过程为：
根据二者的偏差e(k)，以及采用下述的控制算法：
Figure BDA0003369112400000031
其中，Kp，Ki，Kd分别为PID控制器的比例常数、积分常数和微分常数；β为预先设定的阈值；
判断该偏差e(k)位于哪个压力控制区间；
如果e(k)>β，则选择Bang-Bang控制器进行控制，输出对应的压力控制量u(k)＝umax；
如果e(k)<-β，则选择Bang-Bang控制器进行控制，输出对应的压力控制量u(k)＝umin；
如果-β<e(k)<β，则选择PID控制器进行控制，输出对应的压力控制量
Figure BDA0003369112400000032
本发明与现有技术相比的有益效果是：
本发明的方法能够根据实时采集的实际压力值，对应地调整上升压力，实现对上升压力的控制，进而控制压力上升的时间和压力上升速度，大大减少超调情况，降低错误率，提高工作效率，提升用户体验。
附图说明
图1是本发明的一种用于呼吸机的压力控制方法的控制框图；
图2是本发明的一种用于呼吸机的压力控制方法的一个实施例的Bang-Bang-PID与PID控制的曲线示意图。
具体实施方式
现结合附图和实例对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明提供了一种用于呼吸机的压力控制方法，该方法包括：
在当前的呼吸机压力控制通气模式下，设定目标压力值；
根据实时采集的实际压力值，结合设定的目标压力值，获取二者的偏差；
具体地，利用设置在呼吸机内的压力传感器实时采集实际压力值，记为P1；结合设定的目标压力值P2，获取二者的偏差e(k):
e(k)＝P2-P1。
根据二者的偏差，开启选择开关，选择Bang-Bang控制器或PID控制器，输出对应的压力控制量；
具体地，根据二者的偏差e(k)，以及下述的控制算法：
Figure BDA0003369112400000041
其中，Kp，Ki，Kd分别为PID控制器的比例常数、积分常数和微分常数；β为预先设定的阈值，具体为正实数，可根据实际要求进行调节；
判断该偏差在哪个设定的压力控制区间；
如果该偏差大于β＝1cmH2O时，记为e(k)>1，则选择Bang-Bang控制器进行控制，使得呼吸机的涡轮输出的输出转速达到最大，则输出对应的压力控制量u(k)＝umax；
如果该偏差小于β＝1cmH2O时，记为e(k)<-1，则选择Bang-Bang控制器进行控制，使得呼吸机内的涡轮输出的输出转速达到最小，则输出对应的压力控制量u(k)＝umin；
如果该偏差大于β＝-1cmH2O且小于β＝1cmH2O时，记为-1<e(k)<1；则选择PID控制器进行控制，输出对应的压力控制量
Figure BDA0003369112400000042
Figure BDA0003369112400000043
使得呼吸机内的涡轮输出转速以u(k)给呼吸机进行持续的增压，即使得呼吸机内的涡轮输出的转速能够根据呼吸机设定的目标压力与实时采集的实际压力的偏差进行实时调整，从而减小二者的偏差，达到对呼吸机的压力控制的目的。其中，通过控制呼吸机的涡轮输出的转速，控制呼吸机压力与流速的输出。
根据输出的对应的压力控制量，对呼吸机进行上升压力控制。
具体地，压力控制量为呼吸机内置的涡轮输出的转速，根据输出的转速，能够控制呼吸机的上升压力，即转速和上升压力存在对应的变化关系，转速越大，上升压力越大；
因此，根据调整后的上升压力，进而控制压力上升时间和压力上升速度，即转速越大，压力上升时间越小，压力上升速度越大。
如图1所示，图1中r(t)表示的是设定的目标压力值，c(t)表示的是利用呼吸机中的压力传感器的实时采集的实际压力值；e(t)表示的是目标压力值与实际压力值的偏差，t表示的是呼吸机运行的时间。
本发明的控制方法的具体过程为：
首先呼吸机设定目标压力值r(t)，压力传感器采集的实际压力值c(t)，然后将使用呼吸机设定的目标压力值减去实际压力值，得到两者的偏差，根据该偏差e(t)，选择Bang-Bang控制器或PID控制器，最后，输出相应的压力控制量，作为对应的控制信号，控制呼吸机中涡轮的转速，以减小呼吸机的目标压力值与呼吸机的实际压力值的偏差，最终达到控制呼吸机压力的目的。
实施例1.
如图2所示，采用图1所示的方法获得的曲线示意图，该方法包括：
步骤1)在当前的呼吸机压力控制通气模式下，设定目标压力值P1；
步骤2)根据实时采集的实际压力值P2，结合设定的目标压力值P1，获取二者的偏差e(k)＝P1-P2；
步骤3)根据二者的偏差|P1-P2|，开启选择开关，选择Bang-Bang控制器或PID控制器，输出对应的压力控制量；
Figure BDA0003369112400000051
其中，β＝1；即
Figure BDA0003369112400000052
其中，图2中采用本发明的方法时，AB段表示e(k)<-1，选择Bang-Bang控制器，CD段表示e(k)>1，选择Bang-Bang控制器；BC段表示-1<e(k)<1，选择PID控制器；黑色曲线AD则表示仅采用PID控制，通过对比，本发明的方法可以在特定的时段采用PID控制器实现对上升压力的控制，既能够提高快速性又能够在压力稳定处降低压力的冲击，提高用户体验和舒适性。
根据输出的对应的压力控制量，对呼吸机进行上升压力控制。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种用于呼吸机的压力控制方法，该方法包括：
在当前的呼吸机压力控制通气模式下，设定目标压力值；
根据实时采集的实际压力值，结合设定的目标压力值，获取二者的偏差；
根据二者的偏差，开启选择开关，选择Bang-Bang控制器或PID控制器，输出对应的压力控制量；
根据输出的对应的压力控制量，对呼吸机进行上升压力控制。
2.根据权利要求1所述的用于呼吸机的压力控制方法，其特征在于，所述根据实时采集的实际压力值，结合设定的目标压力值，获取二者的偏差；其具体过程为：
利用设置在呼吸机内的压力传感器实时采集实际压力值，记为P1；结合设定的目标压力值P2，获取二者的偏差e(k)：
e(k)＝P2-P1。
3.根据权利要求2所述的用于呼吸机的压力控制方法，其特征在于，所述根据二者的偏差，开启选择开关，选择Bang-Bang控制器或PID控制器，输出对应的压力控制量；其具体实现过程为：
根据二者的偏差e(k)，以及采用下述的控制算法：
Figure FDA0003369112390000011
其中，Kp，Ki，Kd分别为PID控制器的比例常数、积分常数和微分常数；β为预先设定的阈值；
判断该偏差e(k)位于哪个压力控制区间；
如果e(k)＞β，则选择Bang-Bang控制器进行控制，输出对应的压力控制量u(k)＝umax；
如果e(k)＜-β，则选择Bang-Bang控制器进行控制，输出对应的压力控制量u(k)＝umin；
如果-β＜e(k)＜β，则选择PID控制器进行控制，输出对应的压力控制量
Figure FDA0003369112390000012
4.一种用于呼吸机的压力控制系统，其特征在于，该系统包括：
目标压力设定模块，用于在当前的呼吸机压力控制通气模式下，设定目标压力值；
偏差获取模块，用于根据实时采集的实际压力值，结合设定的目标压力值，获取二者的偏差；
控制器选择模块，用于根据二者的偏差，开启选择开关，选择Bang-Bang控制器或PID控制器，输出对应的压力控制量；和
控制模块，用于根据输出的对应的压力控制量，对呼吸机进行上升压力控制。
5.根据权利要求4所述的用于呼吸机的压力控制系统，其特征在于，所述偏差获取模块的具体实现过程为：
利用设置在呼吸机内的压力传感器实时采集实际压力值，记为P1；结合设定的目标压力值P2，获取二者的偏差e(k)：
e(k)＝P2-P1。
6.根据权利要求4所述的用于呼吸机的压力控制系统，其特征在于，所述控制器选择模块的具体实现过程为：
根据二者的偏差e(k)，以及采用下述的控制算法：
Figure FDA0003369112390000021
其中，Kp，Ki，Kd分别为PID控制器的比例常数、积分常数和微分常数；β为预先设定的阈值；
判断该偏差e(k)位于哪个压力控制区间；
如果e(k)＞β，则选择Bang-Bang控制器进行控制，输出对应的压力控制量u(k)＝umax；
如果e(k)＜-β，则选择Bang-Bang控制器进行控制，输出对应的压力控制量u(k)＝umin；
如果-β＜e(k)＜β，则选择PID控制器进行控制，输出对应的压力控制量
Figure FDA0003369112390000022
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