CN116819951B - 气体输送系统的流量控制方法、系统、装置及存储介质 - Google Patents

气体输送系统的流量控制方法、系统、装置及存储介质 Download PDF

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CN116819951B CN202311087543.7A CN202311087543A CN116819951B CN 116819951 B CN116819951 B CN 116819951B CN 202311087543 A CN202311087543 A CN 202311087543A CN 116819951 B CN116819951 B CN 116819951B
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Abstract

本发明涉及一种气体输送系统的流量控制方法、系统、装置及存储介质。方法包括实时获取所述气体输送系统的出气口处的实际压力值；根据所述实际压力值和预设压力值，对所述气体输送系统输送气体的预设上限流量进行实时调整，得到目标上限流量；实时获取所述气体输送系统的出气口处的实际流量值；利用PID控制方法，根据所述目标上限流量和所述实际流量值对所述气体输送系统的开关比例阀进行实时控制，完成所述气体输送系统的流量控制。本发明能实现流量的动态控制，动态控制过程快速、精准，鲁棒性强，进而能真正确保医疗设备手术操作空间的安全性。

Description

气体输送系统的流量控制方法、系统、装置及存储介质
技术领域
本发明涉及医疗设备领域，特别涉及一种气体输送系统的流量控制方法、系统、装置及存储介质。
背景技术
气体输送系统，用于手术过程中向人体内（如腹腔、肠道、宫腔等部位）输送气体（如二氧化碳等），从而建立手术空间。因此，在腹腔镜、宫腔镜等医疗设备的使用过程中，均需要配置气体输系统。
为了提供良好的视野和足够的手术操作空间，以及为了确保气体输送系统所输送的气体进入人体后的安全性，需要对输送气体的流量进行实时控制，避免流量过小时会使得视野和手术操作空间不足，也避免流量过大时对人体产生危害。
然而，在目前医疗设备的气体输送系统的流量控制技术中，通常是基于流量的波动来对流量进行控制，而流量的波动与压力的波动是息息相关的，因此这种基于流量波动的流量控制方式无法做到真正平滑和稳定的调节，对医疗设备的手术环境是不利的。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题是如何对医疗设备的气体输送系统的流量进行更加平滑、稳定地调节，以提供更安全的手术操作空间。
为解决上述技术问题，本发明提供一种气体输送系统的流量控制方法，所述气体输送系统设有开关比例阀，所述方法包括：
实时获取所述气体输送系统的出气口处的实际压力值；
根据所述实际压力值和预设压力值，对所述气体输送系统输送气体的预设上限流量进行实时调整，得到目标上限流量；
实时获取所述气体输送系统的出气口处的实际流量值；
利用PID控制方法，根据所述目标上限流量和所述实际流量值对所述气体输送系统的开关比例阀进行实时控制，完成所述气体输送系统的流量控制。
可选地，所述根据所述实际压力值和预设压力值，对所述气体输送系统输送气体的预设上限流量进行实时调整，得到目标上限流量，包括：
获取所述实际压力值与所述预设压力值之间的差值；
当所述实际压力值小于所述预设压力值且所述差值的绝对值大于第一预设阈值时，将所述预设上限流量确定为所述目标上限流量；
当所述实际压力值小于所述预设压力值且所述差值的绝对值小于或等于所述第一预设阈值时，获取以所述差值的绝对值作为输入变量的流量调节函数，并根据所述流量调节函数计算得到所述目标上限流量；
当所述实际压力值大于或等于所述预设压力值时，将所述目标上限流量确定为零；
其中，所述第一预设阈值大于0。
可选地，所述流量调节函数的公式为：
；
其中，L2为所述目标上限流量，为所述流量调节函数，L1为所述预设上限流量， P2和P1分别为所述实际压力值和所述预设压力值，C为预设系数。
可选地，当将所述目标上限流量确定为零之后的预设时间内，所述实际压力值小于所述预设压力值，且所述差值的绝对值大于或等于第四预设阈值并小于或等于第二预设阈值时；
所述根据所述实际压力值和预设压力值，对所述气体输送系统输送气体的预设上限流量进行实时调整，得到目标上限流量，还包括：
根据所述流量调节函数重新计算得到所述目标上限流量；
其中，所述第二预设阈值小于或等于所述第一预设阈值，所述第四预设阈值小于所述第二预设阈值；
和/或，当将所述目标上限流量确定为零之后的预设时间内，所述实际压力值小于所述预设压力值，且所述差值的绝对值大于所述第二预设阈值时；
所述根据所述实际压力值和预设压力值，对所述气体输送系统输送气体的预设上限流量进行实时调整，得到目标上限流量，还包括：
将所述预设上限流量确定为所述目标上限流量。
可选地，所述利用PID控制方法，根据所述目标上限流量和所述实际流量值对所述气体输送系统的开关比例阀进行实时控制，完成所述气体输送系统的流量控制，包括：
根据所述目标上限流量和所述实际流量值，计算得到流量误差；
将所述流量误差作为位置式PID控制器的输入变量，将所述开关比例阀的开度作为所述位置式PID控制器的输出变量，利用所述位置式PID控制器对所述开关比例阀的开度进行实时控制，完成所述气体输送系统的流量控制。
可选地，所述气体输送系统的出气口处设有流量传感器，则所述实时获取所述气体输送系统的出气口处的实际流量值之前，所述方法还包括：
对所述流量传感器进行校准。
可选地，所述对所述流量传感器进行校准，包括：
获取所述气体输送系统输送气体的最大允许流量，并根据所述最大允许流量得到所述气体输送系统的多个连续的流量允许范围；
在每个所述流量允许范围内，利用所述气体输送系统，按照多个拟合流量分别向出气口处输送气体，并利用所述流量传感器，分别获取每个所述拟合流量下的流量采集信号；
在每个所述流量允许范围内，根据所有所述拟合流量以及所有所述拟合流量下的所述流量采集信号进行曲线拟合，分别得到所述流量传感器在每个所述流量允许范围内的流量换算关系式，完成所述流量传感器的校准。
此外，本发明还提出一种气体输送系统的流量控制系统，所述气体输送系统设有开关比例阀，应用于前述的气体输送系统的流量控制方法，所述系统包括：
实时压力获取模块，用于实时获取所述气体输送系统的出气口处的实际压力值；
上限流量调整模块，用于根据所述实际压力值和预设压力值，对所述气体输送系统输送气体的预设上限流量进行实时调整，得到目标上限流量；
实时流量获取模块，用于实时获取所述气体输送系统的出气口处的实际流量值；
流量反馈控制模块，用于利用PID控制方法，根据所述目标上限流量和所述实际流量值对所述气体输送系统的开关比例阀进行实时控制，完成所述气体输送系统的流量控制。
此外，本发明还提出一种气体输送系统的流量控制装置，包括处理器、存储器和存储在所述存储器中且可运行在所述处理器上的计算机程序，所述计算机程序运行时实现前述的气体输送系统的流量控制方法中的方法步骤。
此外，本发明还提出一种计算机存储介质，所述计算机存储介质包括：至少一个指令，在所述指令被执行时实现前述的气体输送系统的流量控制方法中的方法步骤。
本发明提供的气体输送系统的流量控制方法、系统、装置及存储介质中，预设上限流量是指预先设定的气体输送系统输送气体的目标流量的上限值，当设置了该预设上限流量之后，气体输送系统会按照该预设上限流量所限定的范围输送气体；由于在医疗设备通过气体输送系统启动送气时，气路中的实际流量会增加，手上操作空间内的实际压力也随之增加，当实际压力达到期望压力值且稳定时，气路中的实际流量可能没有达到目标流量，即气路中的实际流量并不一定是按照预设上限流量进行送气的；因此通过预设压力值与实时获取的气体输送系统出气口处的实际压力值，来对该预设上限流量进行调整，基于调整后得到的目标上限流量，既能实现真实气路环境中的流量控制，还能充分考虑气路中压力与流量之间的相互影响，对气路中的压力也实现调节功能，使得医疗设备的气体输送系统的流量控制更加平滑和稳定；当得到目标上限流量值后，还结合实时获取的实际流量值，利用PID控制方法来对开关比例阀进行实时控制，能够快速地响应目标上限流量值与实际流量值之间所产生的偏差并进行纠偏，实现流量的动态控制，动态控制过程快速、精准，鲁棒性强，进而能真正确保医疗设备手术操作空间的安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了本发明实施例一中气体输送系统的结构图；
图2示出了本发明实施例一中一种气体输送系统的流量控制方法的流程图；
图3示出了本发明实施例一中步骤S2对预设上限流量进行调整的完整流程图；
图4示出了本发明实施例一中根据目标上限流量和实际流量值对开关比例阀进行控制的流程图；
图5示出了本发明实施例二中一种气体输送系统的流量控制系统的结构图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
实施例一
气体输送系统的组成如图1所示，包括设置在进气口处的气源和开关比例阀以及设置在出气口处的压力传感器和流量传感器；进气口和出气口通过气路管道连通，当开关比例阀开启时，通过气路管道，从进气口向出气口送气，当开关比例阀关断时，停止送气；开关比例阀的开度控制可实现输送气体的流量控制。压力传感器能够检测到出气口处的压力采集信号（其格式为数字量，没有单位），流量传感器能够检测到出气口处的流量采集信号（其格式为数字量，没有单位）；在实际过程中，还需要利用气体输送系统设置的微控制器（即MCU，与压力传感器和流量传感器均电连接），将压力传感器获取的压力采集信号进行换算得到实际压力值，将流量传感器获取的流量采集信号进行换算得到实际流量值。
如图2所示，本实施例提供一种气体输送系统的流量控制方法，该方法包括：
S1：实时获取所述气体输送系统的出气口处的实际压力值；
S2：根据所述实际压力值和预设压力值，对所述气体输送系统输送气体的预设上限流量进行实时调整，得到目标上限流量；
S3：实时获取所述气体输送系统的出气口处的实际流量值；
S4：利用PID控制方法，根据所述目标上限流量和所述实际流量值对所述气体输送系统的开关比例阀进行实时控制，完成所述气体输送系统的流量控制。
在本实施例的流量控制方法中，预设上限流量是指预先设定的气体输送系统输送气体的目标流量的上限值，当设置了该预设上限流量之后，气体输送系统会按照该预设上限流量所限定的范围输送气体；由于在医疗设备通过气体输送系统启动送气时，气路中的实际流量会增加，手上操作空间内的实际压力也随之增加，当实际压力达到期望压力值且稳定时，气路中的实际流量可能没有达到目标流量，即气路中的实际流量并不一定是按照预设上限流量进行送气的；因此通过预设压力值与实时获取的气体输送系统出气口处的实际压力值，来对该预设上限流量进行调整，基于调整后得到的目标上限流量，既能实现真实气路环境中的流量控制，还能充分考虑气路中压力与流量之间的相互影响，对气路中的压力也能实现调节功能，进而使得医疗设备的气体输送系统的流量控制更加平滑和稳定，波动更小；当得到目标上限流量值后，还结合实时获取的实际流量值，利用PID控制方法来对开关比例阀进行实时控制，能够快速地响应目标上限流量值与实际流量值之间所产生的偏差并进行纠偏，实现流量的动态反馈与动态控制，动态控制过程快速、精准，鲁棒性强，进而能真正确保医疗设备手术操作空间的安全性。
下面对本实施例气体输送系统的流量控制方法的每个步骤进行详细说明。
本实施例S1包括：利用压力传感器，实时获取气体输送系统的出气口处的实际压力值。
由于压力传感器检测到出气口处的压力采集信号，该信号为无单位的数字信号，其与出气口处的实际压力值之间存在一定的换算关系，因此可在S1之前，对压力采集信号与实际压力值之间的换算关系进行获取，然后在S1中，利用压力传感器获取出气口处的压力采集信号，再利用获取的压力换算关系对压力采集信号进行换算得到实际压力值。
进一步地，在S1之前，还可对压力传感器进行校准，以便在S1中基于换算关系，对压力采集信号得到的实际压力值更加精准。其中，对压力传感器的校准方法可采用现有的校准方法，具体细节此处不再赘述。
优选地，S1包括：
在所述开关比例阀的开启状态下，按照预设频率对所述开关比例阀进行间歇性地关断，并在所述开关比例阀的关断状态下，利用所述压力传感器采集所述气体输送系统的出气口处的所述实际压力值；
其中，所述开关比例阀的关断状态维持时间为秒级或毫秒级。
由于在气体输送系统在输送气体时，气体是流动的，因此气路中各处的压力值并不相同，进而出气口处压力传感器所检测到的压力采集信号所对应的实际压力值与输送给手术操作空间的压力值并不相同。本实施例间歇性地关断开关比例阀，由于气路中的气体在开关比例阀关断状态下处于静止状态，因此通过读取开关比例阀关断状态下来压力传感器的压力采集信号所对应的实际压力值，能避免流动气体所带来的压力不相等的影响，能够有效提升实际压力值的精度，进而确保后续流量控制的精准度。其中，开关比例阀的关断状态维持时间为秒级或毫秒级，可以使得开关比例阀的关断状态极短，避免其关断过程对输送气体的影响，在确保实际压力值精度的前提下，还确保整个流量控制过程的可靠性。
优选地，S2包括：
S21：获取所述实际压力值与所述预设压力值之间的差值；
S22A：当所述实际压力值小于所述预设压力值且所述差值的绝对值大于第一预设阈值时，将所述预设上限流量确定为所述目标上限流量；
S22B：当所述实际压力值小于所述预设压力值且所述差值的绝对值小于或等于所述第一预设阈值时，获取以所述差值的绝对值作为输入变量的流量调节函数，并根据所述流量调节函数计算得到所述目标上限流量；
S22C：当所述实际压力值大于或等于所述预设压力值时，将所述目标上限流量确定为零；
其中，所述第一预设阈值大于0。
在上述流量的调整过程中，预设上限流量为一开始用户设定的输送气体的流量上限值，该值可在用户界面上显示并查看；预设压力值也为一开始用户设定的气路中的压力值，也可在用户界面上显示并查看；第一预设阈值为预先设置的压力阈值；通过上述步骤对预设上限流量进行调整，得到的目标上限流量为气体输送系统实际输送气体的流量上限值，该值无法通过用户界面来显示和查看，只在整个系统内部动态调整。
本实施例通过上述流量调整方法，一方面基于压力的波动来实现流量的调节，更符合医疗设备气体输送系统的真实气路环境，实现真实气路环境中的流量控制；另一方面充分考虑了气路中压力与流量之间的相互影响，对气路中的压力也能一定程度上实现调节功能，进而使得医疗设备的气体输送系统的流量控制更加平滑和稳定，波动更小，有利于提供更加安全的手术操作空间。
其中，在上述流量调整过程中，通过实际压力值与预设压力值之间的大小比较，可以判定气体输送系统是否需要继续输送气体，即判定目标上限流量是否设置为零，进而可以确定开关比例阀的开关控制状态，通过开关比例阀的开关控制状态来实现流量控制；当实际压力值小于预设压力值时，说明气体输送系统输送的气体未达到要求，目标上限流量需要设置成大于零的状态，即还需要控制维持开关比例阀的开启状态以确保继续送气；而当实际压力值大于或等于预设压力值时，说明气体输送系统输送的气体达到要求，需要将目标上限流量设置为零，即控制改变开关比例阀的开启状态（即关闭开关比例阀），以实现停止送气。
当开关比例阀维持开启状态时，即实际压力值小于预设压力值时，进一步比较差值的绝对值与第一预设阈值之间的大小；当差值的绝对值大于第一预设阈值，说明实际压力值与预设压力值相差较大，与期望达到的压力值还相差甚远，此时将预设上限流量设置为目标上限流量，可以以较大流量来送气，即以更快的速度使得气体的压力和流量均达到要求；而当差值的绝对值小于或等于第一预设阈值时，说明实际压力值与预设压力值相差较小，已经较为接近期望达到的压力值，此时按照流量调节函数来计算得到目标上限流量，可以以较小流量来送气，由于该流量调节函数是以差值的绝对值为输入变量，因此一方面可以实现以更平滑地速度使得实际压力和实际流量达到要求，另一方面还可以真正实现流量的实时调整，降低气路中流量控制的波动性，以使得整个送气过程更加安全，真正确保手术操作空间的安全性。
应理解，由于整个流量控制过程是一个实时控制过程，且气路中存在漏气（如开启泄气阀门等）的情况，因此进一步地，当实际压力值大于或等于预设压力值且实际压力值与预设压力值之间的差值的绝对值小于第三预设阈值时，不立即将目标上限流量设置为零，而是将目标上限流量维持原来的计算方法，即按照流量调节函数计算得到目标上限流量，以较小、较慢的流量进行送气，可以避免因医疗设备存在漏气而导致实际压力值达不到预设压力值的现象；而当实际压力值大于预设压力值且实际压力值与预设压力值之间的差值的绝对值大于或等于第三预设阈值时，才判定实际压力值真正大于预设压力值，才将目标上限流量设置为零，以实现停止送气的控制。
上述第三预设阈值既可以与第一预设阈值相等，也可以大于或等于第一预设阈值，视具体情况而定。例如当第一预设阈值的数值取2时，第三预设阈值的数值可以为1，即当实际压力值超过预设压力值1mmHg及以上时，将目标上限流量确定为零；再例如当第一预设阈值的数值取2时，第三预设阈值的数值可以为3，即当实际压力值超过预设压力值3mmHg及以上时，将目标上限流量确定为零；再例如当第一预设阈值的数值取2时，第三预设阈值的数值可以为2，即当实际压力值超过预设压力值2mmHg及以上时，将目标上限流量确定为零。
优选地，流量调节函数的公式为：
；
其中，L2为所述目标上限流量，为所述流量调节函数，L1为所述预设上限流量， P2和P1分别为所述实际压力值和所述预设压力值，C为预设系数。
通过上述以实际压力值与预设压力值之间的差值的绝对值为输入变量的流量调节函数，实现流量的实时调整，降低气路中流量的波动性，以使得整个送气过程更加安全。
在实际设计中，第一预设阈值可以根据实际情况设置和调整，例如将第一预设阈值设置为2mmHg，令实际压力值为P2，预设压力值为P1；则：
（1）当P2＜P1（此时P2-P1为负值）且＞2mmHg时，将预设上限流量确定为目标 上限流量；
（2）当P2＜P1（此时P2-P1仍为负值）且0＜≤2mmHg时，按照流量调节函数来计算目标上限流量；
（3）当P2＝P1（此时P2-P1为0）时，或者，当P2＞P1（此时P2-P1为正值）时，将目标上限流量设置为0（相当于关闭开关比例阀）。
第一预设阈值的其他设置情况，以及对应的目标上限流量的确定过程与上述情况类似，此处不再列举。
在一个可选的实施例中，流量调节函数中的预设系数C是一个正值，如2、3、4等，或2.5、3.6、4.8等。
在另一个可选的实施例中，流量调节函数中的预设系数C是一个函数值，如C=(P2-P1)2+b。
上述预设系数C均根据具体情况选择，此处不作限制。
优选地，当将所述目标上限流量确定为零之后的预设时间内，所述实际压力值小于所述预设压力值且所述差值的绝对值大于或等于第四预设阈值并小于或等于第二预设阈值时；
S2还包括：
根据所述流量调节函数重新计算得到所述目标上限流量；
其中，所述第二预设阈值小于或等于所述第一预设阈值，所述第四预设阈值小于所述第二预设阈值。
优选地，当将所述目标上限流量确定为零之后的预设时间内，所述实际压力值小于所述预设压力值，且所述差值的绝对值大于所述第二预设阈值时；
S2还包括：
将所述预设上限流量确定为所述目标上限流量。
在医疗设备的实际使用环境中，如气腹机，是通过微创手术切口将气腹机中的气腹针插在患者的肚皮上。当气腹机停止送气，使得气路中的目标上限流量以及气体输出系统输送气体的流量均为0时，医疗设备上设有阀门，阀门在开闭过程中会存在漏气，例如启动气腹机内部气路的泄气阀门，对手术操作空间内的气体进行排气的操作行为；若不开启泄气阀门进行排气，在微创切口处也会存在漏气的情况，这些情况均是正常情况下的漏气，且漏气流量比较小（或者说漏气速度比较慢）。而当医护人员把气腹针等医疗设备拔出，或者增加新的手术切口，或者按压患者肚皮的时候，手术腔体内的压力会陡然变小，也即此时的漏气流量比较大（或者说漏气速度比较快）。
因此医疗设备的实际气路环境中存在气体泄漏的情况，且因为流量控制过程为一个实时控制过程，当将目标上限流量确定为零之后的预设时间内，会因为存在气体泄漏而导致实际压力值不会维持一个固定值，会慢慢接近预设压力值并慢慢小于预设压力值。当将目标上限流量确定为零之后的预设时间内，若漏气达到需要补气的标准，则存在实际压力值小于预设压力值，且差值的绝对值大于或等于第四预设阈值，需要重新设置目标上限流量，以进行补气；若在需要补气的情况下，漏气较慢，且与实际要求的压力值相差较少，则存在实际压力值小于预设压力值，且差值的绝对值小于或等于第二预设阈值（该阈值小于或等于第一预设阈值）的情况；此时实际压力值与期望的压力值相差不大，重新通过流量调节函数来得到新的目标上限流量，以较小、较慢的流量进行补气，以实现新的流量控制，使得气路中实际的压力和流量平稳在期望值上，提供平稳、安全的手术操作空间。而当将目标上限流量确定为零之后的预设时间内，若在需要补气的情况下，漏气较快，且与实际要求的压力值相差较多，则存在实际压力值小于预设压力值，且差值的绝对值大于第二预设阈值的情况；此时实际压力值与期望的压力值相差较大，则依据预设上限流量来确定目标上限流量，以较大、较快的流量进行补气，以实现新的流量控制，使得气路中实际的压力和流量平稳在期望值上，提供平稳、安全的手术操作空间。
与第一预设阈值同理，第二预设阈值和第四预设阈值也为预先设置的压力阈值，根据实际情况预先设置和调整。例如，预设时间t为5s，第二预设阈值为1mmHg，第四预设阈值为0.5mmHg，则：
（4）当目标上限流量设置为0之后的5s，P2因漏气而逐渐减小，导致P2＜P1（此时P2- P1为负值）且0.5mmHg≤≤1mmHg时，按照流量调节函数来计算目标上限流 量；
（5）当目标上限流量设置为0之后的5s，P2因漏气而逐渐减小，导致P2＜P1（此时P2- P1为负值）且＞1mmHg时，将预设上限流量确定为目标上限流量。
本实施例中，上述流量调节函数与前述S22B中的流量调节函数结构相 同，其中的预设系数C可以与前述S22B中的流量调节函数中的预设系数相同或不同。
应理解，在实际流量控制过程中，目标上限流量设置为0之后的预设时间内，实际 压力值小于预设压力值但差值的绝对值小于第四预设阈值时，该第四预设阈值小于第二预 设阈值，例如将第四预设阈值取0.5mmHg，第二预设阈值取1mmHg，则P2＜P1且＜ 0.5mmHg时，不立即按照流量调节函数来计算目标上限流量；即此时认为气路中 的漏气并未影响到实际的压力和流量，视为气路中实际的压力和流量还是平衡在期望值 上，目标上限流量还是维持在0，而不重新设置目标上限流量。当实际压力值小于预设压力 值且差值的绝对值大于第四预设阈值时，即P2＜P1且≥0.5mmHg时，才开始按照上述 （4）（5）所述的方法重新设置目标上限流量。
下面举例说明整个调整预设上限流量以得到目标上限流量的过程：
在启动气体输送系统送气之前，预设压力值P1=35mmHg，预设上限流量L1=20L/min，第一预设阈值取2mmHg，第四预设阈值取0.5mmHg，第二预设阈值取1mmHg；
气体输送系统刚开始送气时，气路以预设上限流量L1=20L/min的送气流量向手术 操作空间（如腹腔）送气；当手术操作空间内实际压力值P2达到33mmHg时，气路以目标上限 流量L2=10L/min[预设系数C取4，由流量调节函数L2==（35-33）*20/4L/min=10L/ min计算而得]向手术操作空间内送气，当手术操作空间内实际压力值P2达到34mmHg时，气 路以刷新后的目标上限流量L2=5L/min[由流量调节函数L2==（35-34）*20/4L/min =5L/min]向手术操作空间内送气（这里只是举了33mmHg、34mmHg两个整数为例，实际上 33.1mmHg、33.2mmHg、33.3mmHg、33.4mmHg、…都对应有不同的目标上限流量。实际压力值为 33-35mmHg这个范围内，计算得到的目标上限流量一直在刷新，其数值越来越小，也就是送 气流量越来越小，送气速度越来越慢）。
手术操作空间内实际压力值P2在实际气路环境中一般不可能恰好达到35mmHg，比 如手术操作空间内实际压力值P2达到了36mmHg，此时气体输送系统停止送气，使得气路中 的目标上限流量以及气体输送系统输送气体的流量均为0，启动气体输送系统内部气路的 泄气阀门，对手术操作空间内的气体进行排气，排气流量小，排气后的手术操作空间内的实 际压力值可能恰好是35mmHg，也可能低于35mmHg，比如34.5mmHg，此时实际压力值P2与预设 压力值P1之间的差值的绝对值大于或等于第四预设阈值且小于第二预设阈值，再次启动送 气，这时气路的目标上限流量L2为2.5L/min[由流量调节函数L2==（35-34.5）*20/ 4L/min]，如此循环往复，直至手术操作空间内的气体压力趋于平衡，则气体流量也趋于平 衡。若气路中的目标上限流量以及气体输出系统输送气体的流量均为0时，出现漏气流量大 的情况，手术操作空间内的实际压力值P2降低得快，比如降低为30mmHg，此时实际压力值P2 与预设压力值P1之间的差值的绝对值大于第二预设阈值，再次启动送气，目标上限流量L2为 20L/min（与预设上限流量L2相等），也就是气腹机以最高20L/min的流量往手操作空间内快 速补气，当手术操作空间内的实际压力值P2达到33mmHg时，再以10mmHg进行送气。
在上述举例中，在手术操作空间的气体压力较小（也就是气体较少）时，气腹机以大流量充气，可以很快充入气体，当气腹机接近用户设置的预设压力值时，气腹机以小流量充气，且这个小流量值，是根据实际压力值与预设压力值的比较来实时调整的，实际压力值越接近预设压力值，充气流量越小。本实施例这种流量控制方式，能很快地使得手术操作空间内的压力和流量达到平衡，并使得整个充气过程更加安全，真正提供更安全的手术操作空间。
在本实施例中，设第一预设阈值、第二预设阈值、第三预设阈值和第四预设阈值依次为m1、m2、m3和m4，上述S2的完整流程如图3所示。
本实施例S3包括：
利用流量传感器，实时获取气体输送系统的出气口处的实际流量值。
由于流量传感器检测到出气口处的流量采集信号，该信号为无单位的数字信号，其与出气口处的实际流量值之间存在一定的换算关系，因此可在S3之前，对流量采集信号与实际流量值之间的换算关系进行获取，然后在S3中，利用流量传感器获取出气口处的流量采集信号，再利用获取的流量换算关系对流量采集信号进行换算得到实际流量值。
进一步地，在S3之前，方法还包括：
对所述流量传感器进行校准。
在气路环境中，其通常为密闭的，流量越大，气体压力也会越大，造成气体压缩，反过来进一步影响气体流量，且气路容易受到外部温度等因素的干扰，因此流量传感器所对应的流量换算关系并非简单的线性关系，甚至无法通过一个非线性的公式进行一次性拟合，本实施例通过流量传感器的校准，可以得到更加精准的流量换算关系，进而得到精准的实际流量值，有效提升流量控制精度。
具体地，所述对所述流量传感器进行校准，包括：
获取所述气体输送系统输送气体的最大允许流量，并根据所述最大允许流量得到所述气体输送系统的多个连续的流量允许范围；
在每个所述流量允许范围内，利用所述气体输送系统，按照多个拟合流量分别向出气口处输送气体，并利用所述流量传感器，分别获取每个所述拟合流量下的流量采集信号；
在每个所述流量允许范围内，根据所有所述拟合流量以及所有所述拟合流量下的所述流量采集信号进行曲线拟合，分别得到所述流量传感器在每个所述流量允许范围内的流量换算关系式，完成所述流量传感器的校准。
通过上述分段拟合得到每个流量允许范围内的流量换算关系式，能优化整个流量传感器的流量换算关系，使得每个分段区间（即每个流量允许范围）内，对流量采集信号的换算都是精准的，进而提升实际流量值的精度。
设气体输送系统输送气体的流量的上限（即最大允许流量）为50L/min，则该气体输送气体的流量范围为0~50L/min，将该范围切片为若干段，分为多个连续的流量允许范围：[0-5]、[5-10]、[10-15]、…、[45-50]，单位均为L/min。
对于每个流量允许范围，都对应有实际流量值x与流量采集信号y的换算关系。在每个流量允许范围，按照多个拟合流量分别向出气口处输送气体，并利用流量传感器，分别获取每个拟合流量下的流量采集信号，得到多组(x,y)，利用这些(x,y)分别进行曲线拟合，形成每个流量允许范围下的分段拟合曲线：
当x∈[0,5]时，y=g1(x)；
当x∈[5,10]时，y=g2(x)；
当x∈[10,15]时，y=g3(x)；
……
当x∈[45,50]时，y=gn(x)。
上述分段拟合曲线，即为每个流量允许范围下的流量换算关系式。
应理解，上述在曲线拟合时，每个流量允许范围内的所有(x,y)，除了给出了x（即实际流量值）的范围，还间接给出了y（即流量采集信号）的范围。在S3中实际流量值的获取过程中，通过读取流量传感器的流量采集信号y，依据该信号可确定对应的流量换算关系式，代入对应的流量换算关系式中，即可得到对应的实际流量值x。
优选地，如图4所示，S4包括：
S41：根据所述目标上限流量和所述实际流量值，计算得到流量误差；
S42：将所述流量误差作为位置式PID控制器的输入变量，将所述开关比例阀的开度作为所述位置式PID控制器的输出变量，利用所述位置式PID控制器对所述开关比例阀的开度进行实时控制，完成所述气体输送系统的流量控制。
以目标上限流量与实际流量值之间的流量误差作为输入变量，能实现流量的反馈调节，基于位置式PID控制方法，以流量的偏差来控制开关比例阀的开度，实现流量控制，控制精度高，稳定性好。
在S41中，第k次采样时刻的流量误差为：
；
其中，ek、L2k和lk分别为第k次采样时刻的流量误差、目标上限流量和实际流量值，k为正整数。
在S42中，位置式PID控制器的表达式为：
；
其中，uk为第k次采样时刻位置式PID控制器的输出值，即第k次采样时刻开关比例阀的开度；ek-1为第k-1次采样时刻位置式PID控制器的输入值，即第k-1次采样时刻的流量误差；ej为第j次采样时刻位置式PID控制器的输入值，即第j次采样时刻的流量误差；Kp、Ki和Kd分别为位置式PID控制器的比例调节系数、积分调节系数和微分调节系数。
基于上述位置式PID控制器，将实时的目标上限流量和实际流量值输入到位置式PID控制器中，实时地输出开关比例阀的开度，实现流量的实时控制。
实施例二
本实施例提供一种气体输送系统的流量控制系统，所述气体输送系统设有开关比例阀，应用于实施例一的气体输送系统的流量控制方法，如图5所示，所述系统包括：
实时压力获取模块，用于实时获取所述气体输送系统的出气口处的实际压力值；
上限流量调整模块，用于根据所述实际压力值和预设压力值，对所述气体输送系统输送气体的预设上限流量进行实时调整，得到目标上限流量；
实时流量获取模块，用于实时获取所述气体输送系统的出气口处的实际流量值；
流量反馈控制模块，用于利用PID控制方法，根据所述目标上限流量和所述实际流量值对所述气体输送系统的开关比例阀进行实时控制，完成所述气体输送系统的流量控制。
本实施例提供的流量控制系统，通过实时压力获取模块获取气体输送系统出气口处的实际压力值，结合预设压力值，利用上限流量调整模块来对该预设上限流量进行调整，基于调整后得到的目标上限流量，既能实现真实气路环境中的流量控制，还能充分考虑气路中压力与流量之间的相互影响，对气路中的压力也实现调节功能，使得医疗设备的气体输送系统的流量控制更加平滑和稳定；当得到目标上限流量值后，还结合实时流量获取模块实时获取的实际流量值，通过流量反馈控制模块，利用PID控制方法来对开关比例阀进行实时控制，能够快速地响应目标上限流量值与实际流量值之间所产生的偏差并进行纠偏，实现流量的动态控制，动态控制过程快速、精准，鲁棒性强，进而能真正确保医疗设备手术操作空间的安全性。
本实施例所述的气体输送系统的流量控制系统各模块的功能与实施例一的气体输送系统的流量控制方法的步骤对应，因此本实施例中的未尽细节，详见实施例一及图1至图4的具体描述，此处不再赘述。
实施例三
本实施例还提供一种气体输送系统的流量控制装置，包括处理器、存储器和存储在所述存储器中且可运行在所述处理器上的计算机程序，所述计算机程序运行时实现实施例一的气体输送系统的流量控制方法中的方法步骤。
通过存储在存储器上的计算机程序，并运行在处理器上，基于压力的波动来实现目标上限流量的调整，再结合PID控制方法来实现流量的动态控制，动态控制过程快速、精准，鲁棒性强，进而能真正确保医疗设备手术操作空间的安全性。
所称处理器可以是中央处理单元（Central Processing Unit，CPU），还可以是其他通用处理器、数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）、专用集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC）、现成可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，处理器是计算机装置的控制中心，利用各种接口和线路连接整个计算机装置的各个部分。
存储器可用于存储计算机程序和/或模型，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模型，以及调用存储在存储器内的数据，实现计算机装置的各种功能。存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序（例如声音播放功能、图像播放功能等）；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据（例如音频数据、视频数据等）。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡（SmartMedia Card，SMC），安全数字（Secure Digital，SD）卡，闪存卡（Flash Card）、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
应理解，可由计算机程序实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本实施例还提供一种计算机存储介质，计算机存储介质包括：至少一个指令，在指令被执行时实现实施例一的气体输送系统的流量控制方法的方法步骤。
通过执行包含至少一个指令的计算机存储介质，基于压力的波动来实现目标上限流量的调整，再结合PID控制方法来实现流量的动态控制，动态控制过程快速、精准，鲁棒性强，进而能真正确保医疗设备手术操作空间的安全性。
同理，本实施例的未尽细节，详见实施例一、实施例二及图1至图5的具体描述，此处不再赘述。
显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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，可以做出其它不同形式的变化或变动，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种气体输送系统的流量控制方法，所述气体输送系统设有开关比例阀；其特征在于，所述方法包括：
实时获取所述气体输送系统的出气口处的实际压力值；
根据所述实际压力值和预设压力值，对所述气体输送系统输送气体的预设上限流量进行实时调整，得到目标上限流量；
实时获取所述气体输送系统的出气口处的实际流量值；
利用PID控制方法，根据所述目标上限流量和所述实际流量值对所述气体输送系统的开关比例阀进行实时控制，完成所述气体输送系统的流量控制；
所述根据所述实际压力值和预设压力值，对所述气体输送系统输送气体的预设上限流量进行实时调整，得到目标上限流量，包括：
获取所述实际压力值与所述预设压力值之间的差值；
当所述实际压力值小于所述预设压力值且所述差值的绝对值大于第一预设阈值时，将所述预设上限流量确定为所述目标上限流量；
当所述实际压力值小于所述预设压力值且所述差值的绝对值小于或等于所述第一预设阈值时，获取以所述差值的绝对值作为输入变量的流量调节函数，并根据所述流量调节函数计算得到所述目标上限流量；
当所述实际压力值大于或等于所述预设压力值时，将所述目标上限流量确定为零；
其中，所述第一预设阈值大于0。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述流量调节函数的公式为：
；
其中，L 2为所述目标上限流量，为所述流量调节函数，L 1为所述预设上限流量，P 2和P 1分别为所述实际压力值和所述预设压力值，C为预设系数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当将所述目标上限流量确定为零之后的预设时间内，所述实际压力值小于所述预设压力值，且所述差值的绝对值大于或等于第四预设阈值并小于或等于第二预设阈值时；
所述根据所述实际压力值和预设压力值，对所述气体输送系统输送气体的预设上限流量进行实时调整，得到目标上限流量，还包括：
根据所述流量调节函数重新计算得到所述目标上限流量；
其中，所述第二预设阈值小于或等于所述第一预设阈值，所述第四预设阈值小于所述第二预设阈值；
和/或，当将所述目标上限流量确定为零之后的预设时间内，所述实际压力值小于所述预设压力值，且所述差值的绝对值大于所述第二预设阈值时；
所述根据所述实际压力值和预设压力值，对所述气体输送系统输送气体的预设上限流量进行实时调整，得到目标上限流量，还包括：
将所述预设上限流量确定为所述目标上限流量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用PID控制方法，根据所述目标上限流量和所述实际流量值对所述气体输送系统的开关比例阀进行实时控制，完成所述气体输送系统的流量控制，包括：
根据所述目标上限流量和所述实际流量值，计算得到流量误差；
将所述流量误差作为位置式PID控制器的输入变量，将所述开关比例阀的开度作为所述位置式PID控制器的输出变量，利用所述位置式PID控制器对所述开关比例阀的开度进行实时控制，完成所述气体输送系统的流量控制。
5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述气体输送系统的出气口处设有流量传感器，则所述实时获取所述气体输送系统的出气口处的实际流量值之前，所述方法还包括：
对所述流量传感器进行校准。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对所述流量传感器进行校准，包括：
获取所述气体输送系统输送气体的最大允许流量，并根据所述最大允许流量得到所述气体输送系统的多个连续的流量允许范围；
在每个所述流量允许范围内，利用所述气体输送系统，按照多个拟合流量分别向出气口处输送气体，并利用所述流量传感器，分别获取每个所述拟合流量下的流量采集信号；
在每个所述流量允许范围内，根据所有所述拟合流量以及所有所述拟合流量下的所述流量采集信号进行曲线拟合，分别得到所述流量传感器在每个所述流量允许范围内的流量换算关系式，完成所述流量传感器的校准。
7.一种气体输送系统的流量控制系统，所述气体输送系统设有开关比例阀；其特征在于，应用于如权利要求1至6任一项所述的气体输送系统的流量控制方法，所述系统包括：
实时压力获取模块，用于实时获取所述气体输送系统的出气口处的实际压力值；
上限流量调整模块，用于根据所述实际压力值和预设压力值，对所述气体输送系统输送气体的预设上限流量进行实时调整，得到目标上限流量；
实时流量获取模块，用于实时获取所述气体输送系统的出气口处的实际流量值；
流量反馈控制模块，用于利用PID控制方法，根据所述目标上限流量和所述实际流量值对所述气体输送系统的开关比例阀进行实时控制，完成所述气体输送系统的流量控制；
所述上限流量调整模块具体用于：
获取所述实际压力值与所述预设压力值之间的差值；
当所述实际压力值小于所述预设压力值且所述差值的绝对值大于第一预设阈值时，将所述预设上限流量确定为所述目标上限流量；
当所述实际压力值小于所述预设压力值且所述差值的绝对值小于或等于所述第一预设阈值时，获取以所述差值的绝对值作为输入变量的流量调节函数，并根据所述流量调节函数计算得到所述目标上限流量；
当所述实际压力值大于或等于所述预设压力值时，将所述目标上限流量确定为零；
其中，所述第一预设阈值大于0。
8.一种气体输送系统的流量控制装置，其特征在于，包括处理器、存储器和存储在所述存储器中且可运行在所述处理器上的计算机程序，所述计算机程序运行时实现如权利要求1至6任一项所述的方法步骤。
9.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质包括：至少一个指令，在所述指令被执行时实现如权利要求1至6任一项所述的方法步骤。
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