本發(fā)明涉及一種基于pid控制的負(fù)壓引流裝置及方法，屬于醫(yī)療器械領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

伴隨傷口護(hù)理技術(shù)的發(fā)展，目前已由普通敷料發(fā)展到帶有負(fù)壓引流儀的敷料，通過負(fù)壓將傷口滲液，沖洗液引流出來，減少傷口細(xì)菌感染的幾率，負(fù)壓能促進(jìn)組織生長(zhǎng)，從而促進(jìn)傷口愈合，縮短康復(fù)時(shí)間。正逐步進(jìn)入醫(yī)院、診所或者家庭。

負(fù)壓主要由負(fù)壓泵提供，但目前市面上的產(chǎn)品負(fù)壓泵控制方式都是采用通斷電方式，主要存在兩個(gè)弊端：首先，壓力瞬間增大，因?yàn)樨?fù)壓泵啟動(dòng)時(shí)通電就全速，負(fù)壓瞬間增大負(fù)壓值；其次，壓力不穩(wěn)定，停止時(shí)負(fù)壓首先上沖過限值，在低于限值反復(fù)震蕩幾次才能達(dá)到恒定值。

此外，現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)的便攜式產(chǎn)品在空閑狀態(tài)都會(huì)使mcu定時(shí)進(jìn)入/離開低功耗模式，來降低產(chǎn)品耗電量，從而達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間使用，減少更換電池或者充電的目的。一般情況工作模式下電流：5-20ma根據(jù)不同mcu和外圍決定，低功耗模式下電流：10-50ua。相差百倍。因此進(jìn)入低功耗模式時(shí)間越長(zhǎng)，產(chǎn)品越省電，但與之矛盾的是低功耗模式下產(chǎn)品不能檢測(cè)負(fù)壓壓力值，使得負(fù)壓壓力波動(dòng)大，不穩(wěn)定。如啟動(dòng)氣泵提供負(fù)壓，當(dāng)達(dá)到負(fù)壓值后，主機(jī)進(jìn)入mcu進(jìn)入低功耗省電模式，通過內(nèi)部定時(shí)出低功耗模式，進(jìn)入工作模式通過ad轉(zhuǎn)換器檢測(cè)壓力值，若壓力值在偏差范圍內(nèi)則再次進(jìn)入低功耗模式，定時(shí)后再出低功耗模式檢測(cè)，反復(fù)切換工作模式和低功耗模式。問題在于如果將定時(shí)時(shí)間加長(zhǎng)，則負(fù)壓值反映速度變慢，即壓力已經(jīng)超出范圍，mcu還沒有開始檢測(cè)并控制氣泵，壓力不穩(wěn)定。如果定時(shí)時(shí)間減少，雖然增加了相應(yīng)速讀，同時(shí)增加工作時(shí)間，和ad采樣次數(shù)，使得功耗增加。

有鑒于此，本發(fā)明人對(duì)此進(jìn)行研究，專門開發(fā)出一種基于pid控制的負(fù)壓引流裝置及方法，本案由此產(chǎn)生。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于pid控制的負(fù)壓引流裝置及方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的解決方案是：

一種基于pid控制的負(fù)壓引流裝置，包括控制盒和引流盒，其中，所述控制盒包括盒體，以及設(shè)置在盒體內(nèi)的控制系統(tǒng)，所述控制系包括控制模塊，以及與控制模塊相連的比較器、負(fù)壓泵、顯示模塊和按鍵模塊，所述引流盒包括盒體，以及設(shè)置在盒體內(nèi)的壓力傳感器，所述引流盒通過引流管與傷口處相連，所述負(fù)壓泵與引流盒相連，通過負(fù)壓泵使引流盒產(chǎn)生負(fù)壓，所述壓力傳感器的信號(hào)輸出端分別與比較器和控制模塊相連，控制模塊通過輸入的壓力信號(hào)調(diào)節(jié)負(fù)壓泵的輸出。

作為優(yōu)選，所述控制模塊采用mcu控制，通過mcu分析計(jì)算控制負(fù)壓泵。

作為優(yōu)選，所述比較器采用滯回比較器，滯回比較器具有兩個(gè)動(dòng)作閾值，輸入電壓高于高值或低于低值才有動(dòng)作，大大減少因外界干擾而頻繁喚醒mcu的幾率，進(jìn)而降低功耗。

作為優(yōu)選，所述引流盒上設(shè)有引流液刻度，通過引流液刻度可以看清引流盒內(nèi)積存的引流液體積。

作為優(yōu)選，所述控制盒和引流盒通過連接件相互連接。

作為優(yōu)選，所述控制系統(tǒng)進(jìn)一步包括鋰電池，通過鋰電池為控制盒供電。

一種基于pid控制的負(fù)壓引流方法，包括如下步驟：

步驟1）、通過按鍵模塊輸入預(yù)設(shè)壓力；

步驟2）、控制模塊啟動(dòng)負(fù)壓泵，壓力傳感器采集引流盒內(nèi)的壓力值，并反饋給控制模塊，當(dāng)壓力值達(dá)到預(yù)設(shè)壓力時(shí)，負(fù)壓泵停止工作，控制模塊將預(yù)設(shè)壓力值作為比較器參考電壓后，進(jìn)入低功耗模式；

步驟3）、當(dāng)引流盒內(nèi)壓力逐步降低，小于預(yù)設(shè)壓力后，比較器根據(jù)輸入的壓力信號(hào)喚醒控制模塊，控制模塊離開低功耗模式，并根據(jù)壓力信號(hào)和pid控制算法控制負(fù)壓泵的輸出，直至壓力值達(dá)到預(yù)設(shè)壓力時(shí)，負(fù)壓泵停止工作；

步驟4）重復(fù)步驟3），將引流盒的壓力溫度的設(shè)定值；

上述步驟3）所述的pid控制算法用于線性調(diào)節(jié)，將預(yù)設(shè)壓力值r(t)與壓力傳感器采集值c(t)偏差的比例(p)、積分(i)、微分(d)通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)外部控制，pid控制的微分方程：

式中

根據(jù)控制模塊定時(shí)采樣，將上式轉(zhuǎn)化為數(shù)字pid控制器的差分方程

式中稱為比例項(xiàng)

稱為積分項(xiàng)

稱為微分項(xiàng)

比例：體現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(n)成比例，可以加快調(diào)節(jié)，減小誤差；

積分：體現(xiàn)系統(tǒng)的偏差e(n)積累，只要有偏差積分部分就存在，消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度；

微分：體現(xiàn)系統(tǒng)偏差e(n)的變化趨勢(shì)，具有遇見性，產(chǎn)生超前控制，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。

以上方法能夠改善壓力達(dá)到限值時(shí)的波動(dòng)，減小波動(dòng)幅度以及減少調(diào)整時(shí)間。

作為優(yōu)選，在上述pid控制算法中，進(jìn)一步增加啟動(dòng)前置判斷，用于減緩因突然啟動(dòng)引起負(fù)壓泵震動(dòng)，降低噪聲，同時(shí)減小快速啟動(dòng)時(shí)的大電流沖擊，減少多其他供電電路的影響及電磁兼容向外的輻射，具體為

當(dāng)n<x，時(shí)，，，公式中只保留積分控制部分，

變化為：

（n<x）其中x根據(jù)采樣周確定。

（n≥x）or

改良后的控制法，針對(duì)啟動(dòng)部分的前幾個(gè)采樣偏差處理，逐步增加，從而減緩啟動(dòng)速度。當(dāng)啟動(dòng)后n≥x時(shí)，恢復(fù)采用步驟3）所述的pid控制算法，保證壓力達(dá)到限值時(shí)穩(wěn)定性。

本發(fā)明所述的基于pid控制的負(fù)壓引流裝置及方法，采用控制盒和引流盒可拆分結(jié)構(gòu)，方便引流盒的及時(shí)更換，引流過程中采用pid閉環(huán)控制，控制模塊進(jìn)入低功耗模式后，無需定時(shí)喚醒，而是通過比較器將壓力傳感器采樣值與預(yù)設(shè)值比較，低于預(yù)設(shè)值時(shí)，比較器才輸出信號(hào)喚醒控制模塊進(jìn)入工作模式，啟動(dòng)負(fù)壓泵，保證壓力穩(wěn)定、平穩(wěn)。

以下結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。

附圖說明

圖1為本實(shí)施例的負(fù)壓引流裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)施例的引流盒體正視圖；

圖3為本實(shí)施例的控制框圖。

具體實(shí)施方式

如1-3所示，一種基于pid控制的負(fù)壓引流裝置，包括控制盒1和引流盒2，其中，所述控制盒1包括控制盒體11，以及設(shè)置在控制盒體11內(nèi)的控制系統(tǒng)，所述控制系包括控制模塊12，以及與控制模塊12相連的比較器13、負(fù)壓泵14、顯示模塊15、按鍵模塊16和鋰電池17。所述引流盒2包括引流盒體21，以及設(shè)置在引流盒體21內(nèi)的壓力傳感器22，所述引流盒體21通過引流管3與傷口處相連，所述負(fù)壓泵14與引流盒2相連，通過負(fù)壓泵14使引流盒體21內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，進(jìn)而通過引流管3將傷口處的引流液引入引流盒體21內(nèi)。所述壓力傳感器22的信號(hào)輸出端分別與比較器13和控制模塊12相連，控制模塊12通過輸入的壓力信號(hào)調(diào)節(jié)負(fù)壓泵14的輸出。通過鋰電池17可以為控制系統(tǒng)供電。

在本實(shí)施例中，所述控制模塊12采用mcu控制，具體可以采用型號(hào)為msp430的超低功耗mcu，通過mcu分析、計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)而控制負(fù)壓泵輸出。

所述比較器13采用滯回比較器，滯回比較器具有兩個(gè)動(dòng)作閾值，輸入電壓高于高值或低于低值才有動(dòng)作，大大減少因外界干擾而頻繁喚醒mcu的幾率，進(jìn)而降低功耗。

所述顯示模塊15采用低功耗的段碼液晶屏，按鍵模塊16包括菜單鍵，啟動(dòng)/停止鍵，上/下選擇鍵。

所述引流盒體21上設(shè)有引流液刻度23，通過引流液刻度23可以非常直觀地看清引流盒內(nèi)積存的引流液體積。

為方便病人使用，所述控制盒1和引流盒2一般都采用連接件將兩者綁定和粘黏，具體可以通過綁帶、魔術(shù)貼、粘紙等實(shí)現(xiàn)。

上述基于pid控制的負(fù)壓引流裝置的引流方法，包括如下步驟：

步驟1）、通過按鍵模塊16輸入預(yù)設(shè)壓力，顯示模塊用于顯示各項(xiàng)參數(shù)；

步驟2）、控制模塊12啟動(dòng)負(fù)壓泵14，壓力傳感器21采集引流盒2內(nèi)的壓力值，并反饋給控制模塊12，當(dāng)壓力值達(dá)到預(yù)設(shè)壓力時(shí)，負(fù)壓泵14停止工作，控制模塊12將預(yù)設(shè)壓力值作為比較器13參考電壓后，進(jìn)入低功耗模式；

步驟3）、當(dāng)引流盒2內(nèi)壓力逐步降低，小于預(yù)設(shè)壓力后，比較器13根據(jù)輸入的壓力信號(hào)喚醒控制模塊12，控制模塊12離開低功耗模式，并根據(jù)壓力信號(hào)和pid控制算法控制負(fù)壓泵14的輸出，直至壓力值達(dá)到預(yù)設(shè)壓力時(shí)，負(fù)壓泵14停止工作；

步驟4）重復(fù)步驟3），將引流盒2的壓力溫度的設(shè)定值；

上述步驟3）所述的pid控制算法用于線性調(diào)節(jié)，將預(yù)設(shè)壓力值r(t)與壓力傳感器采集值c(t)偏差的比例(p)、積分(i)、微分(d)通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)外部控制，pid控制的微分方程：

式中

根據(jù)控制模塊12定時(shí)采樣，將上式轉(zhuǎn)化為數(shù)字pid控制器的差分方程

式中稱為比例項(xiàng)

稱為積分項(xiàng)

稱為微分項(xiàng)

比例：體現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(n)成比例，可以加快調(diào)節(jié)，減小誤差；

積分：體現(xiàn)系統(tǒng)的偏差e(n)積累，只要有偏差積分部分就存在，消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無差度；

微分：體現(xiàn)系統(tǒng)偏差e(n)的變化趨勢(shì)，具有遇見性，產(chǎn)生超前控制，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。

以上pid控制算法能夠改善壓力達(dá)到限值時(shí)的波動(dòng)，減小波動(dòng)幅度以及減少調(diào)整時(shí)間。

在上述pid控制算法中，可以進(jìn)一步增加啟動(dòng)前置判斷，用于減緩因突然啟動(dòng)引起負(fù)壓泵14震動(dòng)，降低噪聲，同時(shí)減小快速啟動(dòng)時(shí)的大電流沖擊，減少多其他供電電路的影響及電磁兼容向外的輻射，具體為

當(dāng)n<x，時(shí)，，，公式中只保留積分控制部分，

變化為：

（n<x）其中x根據(jù)采樣周確定；

（n≥x）or

經(jīng)過上述改良后的pid控制算法，針對(duì)啟動(dòng)部分的前幾個(gè)采樣偏差處理，逐步增加，從而減緩啟動(dòng)速度；當(dāng)啟動(dòng)后n≥x時(shí)，恢復(fù)采用步驟3）所述的pid控制算法，保證壓力達(dá)到限值時(shí)穩(wěn)定性。

本實(shí)施例所述的基于pid控制的負(fù)壓引流裝置及方法，采用控制盒1和引流盒2可拆分結(jié)構(gòu)，方便引流盒2的及時(shí)更換，引流過程中采用pid閉環(huán)控制，控制模塊12進(jìn)入低功耗模式后，無需定時(shí)喚醒，而是通過比較器13將壓力傳感器21采樣值與預(yù)設(shè)值比較，低于預(yù)設(shè)值時(shí)，比較器13才輸出信號(hào)喚醒控制模塊12進(jìn)入工作模式，啟動(dòng)負(fù)壓泵14，保證壓力穩(wěn)定、平穩(wěn)。

上述實(shí)施例和圖式并非限定本發(fā)明的產(chǎn)品形態(tài)和式樣，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員對(duì)其所做的適當(dāng)變化或修飾，皆應(yīng)視為不脫離本發(fā)明的專利范疇。