專利名稱：一種呼吸壓力模糊控制式呼吸機(jī)及呼吸壓力模糊控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及呼吸機(jī)，尤其涉及一種呼吸壓力模糊控制式呼吸機(jī)及呼吸壓力模糊控制方法。
背景技術(shù)：
呼吸肌是指與呼吸運(yùn)動(dòng)有關(guān)的肌肉。包括肋間外肌和膈肌，胸鎖乳突肌、背部肌群、胸部肌群等等。
呼吸機(jī)是一種能代替、控制或改變?nèi)说恼Ｉ砗粑?，增加肺通氣量，改善呼吸功能，減輕呼吸功消耗，節(jié)約心臟儲(chǔ)備能力的裝置。
現(xiàn)有的呼吸機(jī)通常具備四個(gè)基本功能，即向肺充氣、吸氣向呼氣轉(zhuǎn)換，排出肺泡氣以及呼氣向吸氣轉(zhuǎn)換，依次循環(huán)往復(fù)。包括⑴能提供輸送氣體的動(dòng)力，代替人體呼吸肌的工作；⑵能產(chǎn)生一定的呼吸節(jié)律，包括呼吸頻率和吸呼比，以代替人體呼吸中樞神經(jīng)支配呼吸節(jié)律的功能能提供合適的潮氣量(ντ)或分鐘通氣量(mv)，以滿足呼吸代謝的需要；⑷供給的氣體最好經(jīng)過加溫和濕化,代替人體鼻腔功能，并能供給高于大氣中所含的 02量，以提高吸入02濃度，改善氧合。動(dòng)力源可用壓縮氣體作動(dòng)力(氣動(dòng))或電機(jī)作為動(dòng)力(電動(dòng))呼吸頻率及吸呼比亦可利用氣動(dòng)氣控、電動(dòng)電控、氣動(dòng)電控等類型，呼與吸氣時(shí)相的切換，常于吸氣時(shí)于呼吸環(huán)路內(nèi)達(dá)到預(yù)定壓力后切換為呼氣(定壓型)或吸氣時(shí)達(dá)到預(yù)定容量后切換為呼氣(定容型)，不過現(xiàn)代呼吸機(jī)都兼有以上兩種形式。
PID控制是工業(yè)生產(chǎn)過程中最常見的控制方法，有著實(shí)·現(xiàn)簡便、使用靈活等優(yōu)勢。 PID控制器由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成。其輸入e (t)與輸出u (t) 的關(guān)系為u(t)=kp(e (t)+1/TI / e(t)dt+TD*de(t)/dt)；式中積分的上下限分別是O和t，因此它的傳遞函數(shù)為G(s) =U(s)/E(s)=kp(1+1/ (TI*s)+TD*s)；其中kp為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。比例單元能夠及時(shí)的反應(yīng)誤差情況，并提供對(duì)應(yīng)的糾正；積分單元能夠消除系統(tǒng)的靜差，增加控制的準(zhǔn)確度； 微分單元能夠感知信號(hào)變化趨勢，提前修正偏差。
呼吸機(jī)控制的發(fā)展經(jīng)歷了由開環(huán)到閉環(huán)，由單變量控制、單變量反饋到多變量控制、多變量反饋的演化。傳統(tǒng)的呼吸機(jī)控制方法的理論基礎(chǔ)為基于固定數(shù)學(xué)模型的經(jīng)典控制理論，但是由于人體的生理變化等諸多因素是時(shí)變非線性的，呼吸機(jī)的數(shù)學(xué)模型實(shí)際應(yīng)為時(shí)變非線性模型，因此傳統(tǒng)的定容型呼吸機(jī)和定壓型呼吸機(jī)及其控制方法導(dǎo)致了實(shí)際應(yīng)用時(shí)某些情況下的控制無效性。另外調(diào)節(jié)器參數(shù)與呼吸機(jī)系統(tǒng)所處的穩(wěn)態(tài)工作狀況有關(guān)， 因此對(duì)于PID參數(shù)整定就有相當(dāng)?shù)墓ぷ髁?。?dāng)被控對(duì)象發(fā)生變化時(shí)，需要調(diào)節(jié)器參數(shù)作出相應(yīng)的調(diào)整。由于調(diào)節(jié)器的參數(shù)是根據(jù)過程參數(shù)整定的，所以沒有“自適應(yīng)能力”，只有靠人工重新整定參數(shù)。但是由于控制過程的連續(xù)性和參數(shù)整定需要的時(shí)間，使得重新整定實(shí)際很難執(zhí)行，在實(shí)際控制中幾乎是無法完成的。在實(shí)際應(yīng)用中，通過對(duì)其簡化可以變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，這樣PID就可控制了，但控制的效果較差。并且采用傳統(tǒng)PID算法控制器的呼吸機(jī)有時(shí)會(huì)產(chǎn)生一沖一沖的感覺，無法跟蹤病人的呼吸，往往造成人機(jī)對(duì)抗，使用舒適感較差，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐舍t(yī)療事故。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一發(fā)明目的在于提供一種呼吸更舒適、更安全的呼吸壓力模糊控制式呼吸機(jī)。
一種呼吸壓力模糊控制式呼吸機(jī)，包括吸氣回路、呼氣回路、面罩；所述吸氣回路、 呼氣回路同時(shí)連接面罩；還包括用于控制吸氣回路、呼氣回路內(nèi)各部件動(dòng)作的模糊PID控制器。
根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，本發(fā)明一種呼吸壓力模糊控制式呼吸機(jī)能夠根據(jù)各傳感器獲取輸入信號(hào)變量，通過模糊PID控制模糊控制后輸出實(shí)際輸出量，使本發(fā)明使用的過程中，更符合人體呼吸的方式，呼吸更舒適、更安全。
可選的，所述呼氣回路包括呼氣電磁比例閥、呼氣單向閥；所述呼氣電磁比例閥連接所述面罩，并且在兩者之間還連接有第一流量傳感器、第一壓力傳感器；所述呼氣單向閥連接呼氣電磁比例閥。
通過以上結(jié)構(gòu)，本發(fā)明一種呼吸壓力模糊控制式呼吸機(jī)能夠獲取呼氣流量信號(hào)、 呼氣壓力信號(hào)，呼氣電磁比例閥用于控制呼氣的流量及流速，呼氣單向閥用于控制呼氣的流向。
所述吸氣回路包括空氧混合器、吸氣控制閥、吸氣電磁比例閥、濕化器、儲(chǔ)氣筒、氧氣輸入單向閥、空氣輸入單向閥、調(diào)壓閥、精密調(diào)壓閥、減壓閥；所述吸氣電磁比例閥連接所述面罩，并且在兩者之間還連接有第二流量傳感器、氧濃度傳感器、第二壓力傳感器；所述濕化器通過精密調(diào)壓閥串聯(lián)吸氣電磁比例閥；所述儲(chǔ)氣筒連接濕化器；所述空氧混合器連接儲(chǔ)氣筒；所述氧氣輸入單向閥與空氧混合器、空氣輸入單向閥與空氧混合器分別通過調(diào)壓閥串聯(lián)，并且在氧氣輸入單向閥與空氣輸入單向閥之間并行連接有壓力平衡電磁閥；所述吸氣控制閥一端通過減壓閥連接空氧混合器，另一端連接吸氣電磁比例閥。
通過以上結(jié)構(gòu)，本發(fā)明一種呼吸壓力模糊控制式呼吸機(jī)能夠獲取吸氣流量信號(hào)、 吸氣壓力信號(hào)、氧濃度信號(hào)；其中氧氣輸入單向閥用于控制氧氣輸入的流向；空氣輸入單向閥用于控制空氣輸入的流向；空氧混合器用于混合輸入的氧氣和空氣；壓力平衡電磁閥用于控制混合氣體的含氧量；調(diào)壓閥用于降低氧氣輸入、空氣輸入的氣壓；吸氣控制閥用于控制氣體的流量；吸氣電磁比例閥用于精確控制吸氣流量的大小，提高了氣體流量及流速的控制，更符合人體呼吸的頻率，使得使用更舒適。
可選的，還包括連接所述氧氣輸入單向閥的低氧報(bào)警器。使得本發(fā)明在輸入氧氣量低于需要輸入值時(shí)能夠自動(dòng)報(bào)警，提高了安全性。
可選的，還包括連接所述空氣輸入單向閥的空氣報(bào)警器。使 得本發(fā)明在輸入空氣量低于需要輸入值時(shí)能夠自動(dòng)報(bào)警，提高了安全性。
本發(fā)明的另一發(fā)明目的在于提供一種呼吸壓力模糊控制方法。
初始狀態(tài)下工作的呼吸機(jī)內(nèi)的模糊PID控制器通過各傳感器獲取輸入信號(hào)變量， 模糊控制后輸出實(shí)際控制量；所述模糊控制包括輸入信號(hào)變量模糊化將輸入信號(hào)變量值轉(zhuǎn)換成機(jī)器語言；模糊推理根據(jù)模糊推理算法，得出與輸入信號(hào)變量值對(duì)應(yīng)的模糊控制量；模糊控制量解模糊根據(jù)解模糊算法，解模糊所述的模糊控制量，得出實(shí)際控制量。
可選的，所述的輸入信號(hào)變量包括呼氣壓力信號(hào)、呼氣流量信號(hào)、吸氣壓力信號(hào)、 吸氣流量信號(hào)、氧濃度信號(hào)。
根據(jù)上述內(nèi)容，本發(fā)明能夠提供一種呼吸更舒適、更安全的呼吸壓力模糊控制式呼吸機(jī)、以及一種能夠?qū)崿F(xiàn)呼吸機(jī)的呼吸壓力模糊控制的方法。


此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定，在附圖中圖1為本發(fā)明實(shí)施例1提供的一種氣路原理圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明，在此本發(fā)明的示意性實(shí)施例以及說明用來解釋本發(fā)明，但并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
實(shí)施例1 :如圖1所示，本實(shí)施例公開了一種呼吸壓力模糊控制呼吸機(jī)。
其中一種呼吸壓力模糊控制呼吸機(jī)包括吸氣回路、呼氣回路、面罩100 ;吸氣回路、呼氣回路同時(shí)連接面罩100 ;還包括用于控制吸氣回路、呼氣回路內(nèi)各部件動(dòng)作的模糊 PID控制器(未圖示)。其中呼氣回路包括呼氣電磁比例閥210、呼氣單向閥220 ;呼氣電磁比例閥210連接面罩100，并且在兩者之間還連接有第一流量傳感器211、第一壓力傳感器 212 ;呼氣單向閥220連接呼氣電磁比例閥210。吸氣回路中包括空氧混合器350、吸氣控制閥320、吸氣電磁比例閥310、濕化器330、儲(chǔ)氣筒340、氧氣輸入單向閥360、空氣輸入單向閥 370、調(diào)壓閥(361、371)、精密調(diào)壓閥311、減壓閥321 ;吸氣電磁比例閥310連接面罩100，并且在兩者之間還連接有第二流量傳感器301、氧濃度傳感器303、第二壓力傳感器302 ;濕化器330通過精密調(diào)壓閥311串聯(lián)吸氣電磁比例閥310 ;儲(chǔ)氣筒340連接濕化器330 ;空氧混合器350連接儲(chǔ)氣筒340 ;氧氣輸入單向閥360與空氧混合器350、空氣輸入單向閥370與空氧混合器350分別通過調(diào)壓閥(361、371)串聯(lián)，并且在氧氣輸入單向閥360與空氣輸入單向閥370之間并行連接有壓力平衡電磁閥380 ;吸氣控制閥320 —端通過減壓閥320連接空氧混合器350，另一端連接吸氣電磁比例閥310 ;氧氣輸入單向閥360連接有低氧報(bào)警器362 ;空氣輸入單向閥370連接有空氣報(bào)警器372。
本實(shí)施例中通過模糊PID控制器(未圖示)輸出實(shí)際控制量控制各部件的動(dòng)作，而各傳感器收集各部位信號(hào)變量傳輸至模糊PID控制器內(nèi)進(jìn)行模糊控制運(yùn)算，其中吸氣電磁比例閥可以通過相應(yīng)的控制信號(hào)(電壓或電流信號(hào))來控制閥孔開度在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化，模糊PID控制器可以通過控制各閥的開度，控制進(jìn)入后級(jí)氣路的流量在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化，進(jìn)而控制氣道壓力。
本發(fā)明中呼吸壓力模糊控制方法中的模糊控制是一種基于語言規(guī)則與模糊推理的控制理論，是智能控制的一個(gè)重要分支。模糊控制的核心就是利用模糊集合理論，把人的控制策略的自然語言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠接受的算法語言所描述的控制算法。由于控制方法能模擬人的思維方式實(shí)現(xiàn)控制，所以不需要被控對(duì)象具有精確的數(shù)學(xué)模型，在對(duì)復(fù)雜的時(shí)便非線性系統(tǒng)的控制上，較傳統(tǒng)控制方法有很大的優(yōu)勢。
模糊控制的過程可以分為(O輸入信號(hào)變量模糊化將輸入信號(hào)變量值轉(zhuǎn)換成機(jī)器語言；(2)模糊推理根據(jù)模糊推理算法，得出與輸入信號(hào)變量值對(duì)應(yīng)的模糊控制量；(3)模糊控制量解模糊根據(jù)解模糊算法，解模糊所述的模糊控制量，得出實(shí)際控制量。
要實(shí)現(xiàn)模糊控制，首先要對(duì)輸入?yún)?shù)模糊化，將輸入變量值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的語言描述。根據(jù)規(guī)則庫提供的模糊推理算法，得到與輸入變量值相應(yīng)的控制量即模糊推理的過程。 模糊推理得到的輸出控制量經(jīng)過模糊推理得到的值按照解模糊算法，給出一個(gè)確定的控制量。PID控制在靜差消除和控制精度上都有比較大的優(yōu)勢，但PID控制要求控制對(duì)象為線性系統(tǒng)(或可簡化為線性時(shí)不變系統(tǒng))。呼吸機(jī)在工作時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)呈非線性，且對(duì)于不同病人或同一病人的不同時(shí)期，系統(tǒng)差異會(huì)比較大，采用模糊控制和PID控制相結(jié)合的控制方法。 針對(duì)系統(tǒng)的即時(shí)狀態(tài)，通過模糊控制來改變PID控制器的系數(shù)，使之與當(dāng)前系統(tǒng)特性相符， 以得到理想的控制效果。
下面以本發(fā)明一種呼吸壓力模糊控制式呼吸機(jī)為例常見呼吸機(jī)壓力控制范圍為0-120cmH20，常用范圍為0_40 CmH2O0
輸入信號(hào)變量模糊化根據(jù)本發(fā)明壓力控制特性，選取壓力誤差e的基本論域?yàn)?[-15cmH20,15cmH20]，量化論域?yàn)閇_6，6]，詞集為{NB, NM, NS, Z0, PS, PM, PB}，隸屬函數(shù)為高斯形函數(shù)。誤差變化率Ae的基本論域?yàn)閇-4CmH20，4CmH20]，量化論域?yàn)閇_6，6]，詞集為 {NB,匪，NS, Z0, PS, PM, PB}，隸屬函數(shù)為高斯形函數(shù)。
模糊推理模糊控制算法是模糊PID控制器的核心，根據(jù)控制原理，結(jié)合實(shí)際調(diào)試結(jié)果來得到模糊控制的規(guī)則。
數(shù)字PID控制器工作時(shí)，t時(shí)刻輸出控制量(1)u (t) =Kp*e (t) +Ki* Σ e (t) +Kd [e (t_l) _e (t_2)]k時(shí)刻控制量比k-1時(shí)控制量的增量即Au(k)=u(k)-u(k-l)，由公式(2)Δ u (k) =Kp* Δ e (k)+Ki*e (k)+Kd*[ Δ e (k) -Ae (k~l)]；式中AeGO= e(k) -e(k-l)暫時(shí)不考慮微分作用，在偏差較大時(shí)，要求取較大的Ki 值，Kp取較小的值，可以迅速的消除誤差；當(dāng)被控對(duì)象接近設(shè)定值時(shí)，則要求減小Ki值，增加Kp的值，可以避免積分帶來超調(diào)。由于Ki和Kp的調(diào)節(jié)方向相反，可以只使用一個(gè)可變因子來實(shí)現(xiàn)對(duì)Ki和Kp的調(diào)節(jié)。
根據(jù)以上分析，設(shè)調(diào)節(jié)因子為α⑴，則Ki和Kp的調(diào)節(jié)關(guān)系(3)Ki (t) =Ki (O)*(I/α ⑴)；(4)Kp (t) =Kp (O) * (1+a (t)) /2 ；式中a (t)由模糊控制產(chǎn)生，用于實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)Ki和Kp。模糊控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生模糊控制量 μ (t)，進(jìn)而控制調(diào)節(jié)因子a (t)(5)a (t)= a (t-1) +0.1 μ (t)；分析模糊控制輸出μ (t)的調(diào)節(jié)規(guī)律，結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，最終確定模糊控制規(guī)則表如表I所示
權(quán)利要求
1.一種呼吸壓力模糊控制式呼吸機(jī)，其特征在于 包括吸氣回路、呼氣回路、面罩； 所述吸氣回路、呼氣回路同時(shí)連接面罩； 還包括用于控制吸氣回路、呼氣回路內(nèi)各部件動(dòng)作的模糊PID控制器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種呼吸壓力模糊控制式呼吸機(jī)，其特征在于 所述呼氣回路包括呼氣電磁比例閥、呼氣單向閥； 所述呼氣電磁比例閥連接所述面罩，并且在兩者之間還連接有第一流量傳感器、第一壓力傳感器； 所述呼氣單向閥連接呼氣電磁比例閥。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種呼吸壓力模糊控制式呼吸機(jī)，其特征在于 所述吸氣回路包括空氧混合器、吸氣控制閥、吸氣電磁比例閥、濕化器、儲(chǔ)氣筒、氧氣輸入單向閥、空氣輸入單向閥、調(diào)壓閥、精密調(diào)壓閥、減壓閥； 所述吸氣電磁比例閥連接所述面罩，并且在兩者之間還連接有第二流量傳感器、氧濃度傳感器、第二壓力傳感器； 所述濕化器通過精密調(diào)壓閥串聯(lián)吸氣電磁比例閥； 所述儲(chǔ)氣筒連接濕化器； 所述空氧混合器連接儲(chǔ)氣筒； 所述氧氣輸入單向閥與空氧混合器、空氣輸入單向閥與空氧混合器分別通過調(diào)壓閥串聯(lián)，并且在氧氣輸入單向閥與空氣輸入單向閥之間并行連接有壓力平衡電磁閥； 所述吸氣控制閥一端通過減壓閥連接空氧混合器，另一端連接吸氣電磁比例閥。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種呼吸壓力模糊控制式呼吸機(jī)，其特征在于 還包括連接所述氧氣輸入單向閥的低氧報(bào)警器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種呼吸壓力模糊控制式呼吸機(jī)，其特征在于 還包括連接所述空氣輸入單向閥的空氣報(bào)警器。
6.一種呼吸壓力模糊控制方法，其特征在于 初始狀態(tài)下工作的呼吸機(jī)內(nèi)的模糊PID控制器通過各傳感器獲取輸入信號(hào)變量，模糊控制后輸出實(shí)際控制量； 所述模糊控制包括輸入信號(hào)變量模糊化、模糊推理、模糊控制量解模糊； 輸入信號(hào)變量模糊化將輸入信號(hào)變量值轉(zhuǎn)換成機(jī)器語言； 模糊推理根據(jù)模糊推理算法，得出與輸入信號(hào)變量值對(duì)應(yīng)的模糊控制量； 模糊控制量解模糊根據(jù)解模糊算法，解模糊所述的模糊控制量，得出實(shí)際控制量。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種呼吸壓力模糊控制方法，其特征在于 所述的輸入信號(hào)變量包括呼氣壓力信號(hào)、呼氣流量信號(hào)、吸氣壓力信號(hào)、吸氣流量信號(hào)、氧濃度信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及呼吸機(jī)，公開了一種呼吸壓力模糊控制式呼吸機(jī)及呼吸壓力模糊控制方法。本發(fā)明通過模本實(shí)施例中通過模糊PID控制器輸出實(shí)際控制量控制各部件的動(dòng)作，而各傳感器收集各部位信號(hào)變量傳輸至模糊PID控制器內(nèi)進(jìn)行模糊控制運(yùn)算，其中吸氣電磁比例閥可以通過相應(yīng)的控制信號(hào)(電壓或電流信號(hào))來控制閥孔開度在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化，模糊PID控制器可以通過控制各閥的開度，控制進(jìn)入后級(jí)氣路的流量在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化，進(jìn)而控制氣道壓力。使得病人使用本呼吸機(jī)，呼吸更舒適、更安全。
文檔編號(hào)A61M16/00GK103028170SQ20111029452
公開日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者汪家旺 申請(qǐng)人:南京普澳醫(yī)療設(shè)備有限公司