氧氣面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種氧氣面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)半實(shí)物仿真系統(tǒng)。半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型、呼氣閥門數(shù)學(xué)模型、呼吸數(shù)學(xué)模型和面罩呼吸腔數(shù)學(xué)模型由PC機(jī)中的Matlab平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，分別用來描述肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)、呼氣閥門、呼吸過程和面罩呼吸腔內(nèi)的氣體流量特性。半實(shí)物仿真系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)以STM32F407IGT6微處理器為核心，用來運(yùn)行控制算法。PC機(jī)與控制系統(tǒng)通過RS232串口進(jìn)行通訊。本發(fā)明是氧氣面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)器控制方案開發(fā)過程中對(duì)比不同控制算法效率的半實(shí)物仿真系統(tǒng)，具有控制算法與應(yīng)用對(duì)象結(jié)構(gòu)靈活、接口通用等優(yōu)點(diǎn)，可提前發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)解決，縮短了控制方案的開發(fā)周期，節(jié)約成本。
【專利說明】
氧氣面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)半實(shí)物仿真系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于航空器個(gè)人防護(hù)領(lǐng)域，涉及對(duì)供氧實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的改進(jìn)，具體為氧氣面罩 呼吸腔壓力調(diào)節(jié)半實(shí)物仿真。
【背景技術(shù)】
[0002] 供氧系統(tǒng)的作用是預(yù)防高空缺氧、低氣壓效應(yīng)引起的不良生理反應(yīng)。面罩呼吸腔 壓力調(diào)節(jié)器是供氧系統(tǒng)的關(guān)鍵控制器，它可以隨環(huán)境壓力和使用者呼吸的變化，供給使用 者一定壓力、流量和含氧濃度的混合氣或純氧。
[0003] 面罩呼吸腔內(nèi)的壓力變化反映了呼吸腔壓力調(diào)節(jié)器的性能，吸氣時(shí)，若面罩呼吸 腔內(nèi)負(fù)壓越大使用者的吸氣阻力越大，并且若面罩與使用者面部貼合不嚴(yán)密，外部低壓空 氣將灌入面罩呼吸腔，造成缺氧。呼氣時(shí)面罩呼吸腔內(nèi)正壓越大使用者的呼氣阻力越大，其 與使用者肺通氣量、呼氣閥門特性等有關(guān)。
[0004] 因此，控制方案的設(shè)計(jì)是面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)器的關(guān)鍵。在控制方案開發(fā)過程中， 若使用實(shí)際調(diào)試平臺(tái)，當(dāng)模擬肺吸氣，若肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)不起作用，富氧空氣或純氧將不會(huì) 進(jìn)入面罩呼吸腔，面罩呼吸腔內(nèi)將產(chǎn)生很大的負(fù)壓，選擇的差壓傳感器量程過小會(huì)損壞傳 感器，量程過大則測(cè)量誤差也隨之增大，造成測(cè)量不準(zhǔn)確，降低了呼吸腔壓力調(diào)節(jié)器的性 能。另外，控制算法和肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)有很多種，每種控制算法和肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)都會(huì)造成 呼吸腔壓力調(diào)節(jié)器性能上的差異。因此，控制方案開發(fā)過程中存在成本高、開發(fā)周期長的問 題。
[0005] 目前普遍使用的研究方式是在PC機(jī)中利用具體供氧調(diào)試平臺(tái)的數(shù)學(xué)模型來完成 對(duì)呼吸腔壓力調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)并通過一些變量來比較不同控制算法的性能。然而純粹的仿真 實(shí)驗(yàn)與實(shí)際控制過程存在一定差距，算法的應(yīng)用會(huì)受到一定的限制，仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)于實(shí)際控 制將無參考價(jià)值。
[0006] 為了能在呼吸腔壓力調(diào)節(jié)器控制方案開發(fā)過程中對(duì)比多種控制算法和多種肺式 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)的效率，期望有一種開發(fā)周期短，節(jié)約成本，模擬實(shí)際供氧過程的實(shí)驗(yàn)方法及系 統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明目的是克服呼吸腔壓力調(diào)節(jié)器控制方案開發(fā)過程帶來的上述問題，提供了 一種氧氣面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)半實(shí)物仿真系統(tǒng)。
[0008] 本發(fā)明提供的氧氣面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)半實(shí)物仿真系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)、肺式調(diào) 節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型、呼氣閥門數(shù)學(xué)模型、呼吸數(shù)學(xué)模型和面罩呼吸腔數(shù)學(xué)模型;所述的肺式 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型、呼氣閥門數(shù)學(xué)模型、呼吸數(shù)學(xué)模型和面罩呼吸腔數(shù)學(xué)模型由PC機(jī)中 的Matlab平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，分別用來描述肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)、呼氣閥門、呼吸過程和面罩呼吸腔內(nèi)的 氣體流量特性;所述的控制系統(tǒng)以STM32F407IGT6微處理器為核心，用來運(yùn)行控制算法。所 述的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型、呼氣閥門數(shù)學(xué)模型和呼吸數(shù)學(xué)模型分別連接面罩呼吸腔數(shù) 學(xué)模型，PC機(jī)中的面罩呼吸腔數(shù)學(xué)模型將解算出的系統(tǒng)輸出信號(hào)通過RS232串口傳遞給控 制系統(tǒng)來解算控制信號(hào)，所述的控制系統(tǒng)同時(shí)將解算出的控制信號(hào)通過RS232串口傳遞給 PC機(jī)中的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型來解算系統(tǒng)輸出。半實(shí)物仿真系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。
[0009] 所述的面罩呼吸腔數(shù)學(xué)模型具體描述為：
[0010]
νν) 'αν
[0011]其中，（·）'為對(duì)時(shí)間求導(dǎo)算子，Ρ為面罩呼吸腔內(nèi)氣體絕對(duì)壓力，R為氣體常數(shù)，Τ 為面罩呼吸腔內(nèi)氣體溫度，GP為肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型輸出，為呼氣閥門數(shù)學(xué)模型輸 出，Qb為呼吸數(shù)學(xué)模型輸出，V為面罩呼吸腔與肺內(nèi)的氣體體積之和。
[0012] 所述的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型用GP(t) = f((u))來描述，其中，u為實(shí)施于肺式 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)上的控制信號(hào)，f為u的函數(shù)，f的具體形式由應(yīng)用對(duì)象中的具體肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu) 決定。
[0013] 所述的呼吸數(shù)學(xué)模型具體描述為：
[0014]
[0015] 其中，n為肺呼吸頻率，Vi為肺潮氣量。[0016] 所述的呼氣閥門數(shù)學(xué)模型具體描述為：
[0017]
[0018]
[0019] 其中，Pa為面罩呼吸腔外氣體絕對(duì)壓力，cU為呼氣閥門直徑，為呼氣閥門中彈簧 剛度，Uo和U分別為呼氣閥門中彈簧預(yù)壓縮量和壓縮量，μ為流量系數(shù)，ko為氣體絕熱指數(shù)， g為重力加速度。
[0020] 本發(fā)明同時(shí)提供了一種實(shí)現(xiàn)所述的氧氣面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的 模擬供氧系統(tǒng)調(diào)試平臺(tái)，該調(diào)試平臺(tái)包括所述的控制系統(tǒng);所述的控制系統(tǒng)通過控制量輸 出信號(hào)線與肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型對(duì)應(yīng)的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)連接，用于使肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu) 有一定開度；同時(shí)通過反饋信號(hào)線連接面罩呼吸腔數(shù)學(xué)模型對(duì)應(yīng)的差壓傳感器;控制系統(tǒng) 根據(jù)差壓傳感器的反饋信號(hào)及壓差設(shè)定值產(chǎn)生控制信號(hào)；電源用于為控制系統(tǒng)供電；參見 圖2;
[0021] 所述的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)包括:用于產(chǎn)生拉力的動(dòng)力裝置，密閉彈簧，肺式閥門板和 密封圈；所述肺式閥門板和密封圈配合，用于在無電信號(hào)時(shí)通過密閉彈簧將肺式閥門板緊 壓在密封圈上，使閥門完全關(guān)閉；動(dòng)力裝置通過控制量輸出信號(hào)線傳送的電信號(hào)產(chǎn)生拉力， 克服密閉彈簧的彈力，將肺式閥門板從密封圈上提起，使閥門有一定開度;穩(wěn)壓氣源通過氣 路與肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)中密封圈的入口相連；
[0022] 與所述的呼氣閥門數(shù)學(xué)模型對(duì)應(yīng)的呼氣閥門設(shè)置在面罩上，呼氣閥門與面罩之間 通過彈簧設(shè)置有一個(gè)呼氣閥門門板;呼氣閥門用于排出模擬肺呼出的二氧化碳，面罩內(nèi)外 的壓力差克服彈簧的作用，將呼氣閥門門板打開，氣體排出。
[0023] 與所述的呼吸數(shù)學(xué)模型對(duì)應(yīng)的是面罩內(nèi)形成的呼吸腔內(nèi)的吸氣作用和呼氣作用。
[0024] 與所述的面罩呼吸腔數(shù)學(xué)模型對(duì)應(yīng)的差壓傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集過程，差壓傳感器 設(shè)置在比例流量閥與面罩之間的氣路中，面罩與氣路之間同時(shí)設(shè)置有一個(gè)吸氣閥，差壓傳 感器用于測(cè)量面罩內(nèi)形成的呼吸腔內(nèi)外壓力差。
[0025]所述的控制系統(tǒng)以ARM微處理器為核心，兼容性強(qiáng)，置入其中的控制算法可以任意 更換，比如公知的PID(Proportional Integral Deri vat ive)控制算法、ADRC( Active Disturbance Rejection Control)算法等，通過實(shí)時(shí)顯示在PC機(jī)上的面罩呼吸腔壓力動(dòng)態(tài) 曲線來驗(yàn)證不同控制算法的效率，縮短控制方案的開發(fā)周期。
[0026] 所述的半實(shí)物仿真系統(tǒng)中肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型可以針對(duì)不同的肺式調(diào)節(jié)閥 結(jié)構(gòu)（比例流量閥、以步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力裝置的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)、以音圈電機(jī)為動(dòng)力裝置的肺 式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu))進(jìn)行更換，不影響其他部分的功能，具有應(yīng)用對(duì)象結(jié)構(gòu)靈活的特點(diǎn)。
[0027] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果：
[0028] 1)肺的呼吸作用通過PC機(jī)構(gòu)建的仿真數(shù)學(xué)模型描述，肺通氣量可以被設(shè)置為隨時(shí) 變化，以高度逼近真實(shí)的呼吸過程。
[0029] 2)置入控制系統(tǒng)中的控制算法可以任意更換，通過實(shí)時(shí)顯示在PC機(jī)上的面罩呼吸 腔壓力動(dòng)態(tài)曲線來驗(yàn)證不同控制算法的效率，縮短控制方案的開發(fā)周期。
[0030] 3)以肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)采用比例流量閥、控制算法采用ADRC算法的模擬供氧系統(tǒng)調(diào) 試平臺(tái)為例，將本發(fā)明中的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型具體替換為比例流量閥數(shù)學(xué)模型，其 余參數(shù)根據(jù)調(diào)試平臺(tái)確定，對(duì)比面罩呼吸腔壓力動(dòng)態(tài)曲線，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看到，使用本發(fā)明得 到的動(dòng)態(tài)曲線與調(diào)試平臺(tái)采樣得到的動(dòng)態(tài)曲線誤差較小，半實(shí)物仿真結(jié)果對(duì)于調(diào)試平臺(tái)的 控制方案開發(fā)有一定參考價(jià)值。
【附圖說明】
[0031 ]圖1為面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖。
[0032]圖2為半實(shí)物仿真系統(tǒng)所描述的實(shí)際調(diào)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖，
[0033]圖中，1-穩(wěn)壓氣源，2-氣路，3-密封圈，4-肺式閥門板，5-密閉彈簧，6-動(dòng)力裝置，7-面罩，8-呼吸腔，9-呼氣閥門，10-彈簧，11 -呼氣閥門門板，12-吸氣閥，13-吸氣過程，14-呼 氣過程，15-模擬肺，16-差壓傳感器，17-反饋信號(hào)線，18-控制系統(tǒng)，19-電源，20-電源線 (負(fù)），21_電源線(正），22_控制量輸出信號(hào)線，23-肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)。
[0034]圖3為以比例流量閥作為肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)的實(shí)際調(diào)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖，
[0035]圖中，24-鐵芯，26-螺線管，27-比例流量閥。
[0036]圖4為以比例流量閥作為肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)，采用ADRC算法，模擬肺呼吸頻率固定為 20(cyCle/min)時(shí)面罩呼吸腔數(shù)學(xué)模型計(jì)算和差壓傳感器16采集的面罩呼吸腔內(nèi)壓力變化 對(duì)比曲線。
[0037] 圖5為通信過程框圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0038] 本發(fā)明具有控制算法與應(yīng)用對(duì)象結(jié)構(gòu)靈活、通訊接口通用的特點(diǎn)。為了說明使用 本發(fā)明得到的半實(shí)物仿真結(jié)果能夠?yàn)榫唧w供氧系統(tǒng)調(diào)試平臺(tái)的控制方案開發(fā)提供一定參 考價(jià)值，本示例中針對(duì)其中一種應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。示例中，應(yīng)用對(duì)象為以比例流量閥 為具體肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)的模擬供氧系統(tǒng)調(diào)試平臺(tái)（圖3)，則半實(shí)物仿真系統(tǒng)中肺式調(diào)節(jié)閥 結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型被比例流量閥數(shù)學(xué)模型代替，比例流量閥數(shù)學(xué)模型、呼氣閥門數(shù)學(xué)模型和呼 吸數(shù)學(xué)模型的參數(shù)根據(jù)調(diào)試平臺(tái)確定，控制算法采用公知的ADRC算法，對(duì)比半實(shí)物仿真和 調(diào)試平臺(tái)得到的面罩呼吸腔壓力動(dòng)態(tài)曲線。若圖2所示的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)采用其他形式，如 以步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力裝置的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)、以音圈電機(jī)為動(dòng)力裝置的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)，使 用本發(fā)明時(shí)只需將半實(shí)物仿真系統(tǒng)中肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型用具體數(shù)學(xué)模型代替即可。 [0039] 一、面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)半實(shí)物仿真系統(tǒng)
[0040]結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示，它包括控制系統(tǒng)、肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型、呼氣閥門 數(shù)學(xué)模型、呼吸數(shù)學(xué)模型和面罩呼吸腔數(shù)學(xué)模型;所述的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型、呼氣閥 門數(shù)學(xué)模型、呼吸數(shù)學(xué)模型和面罩呼吸腔數(shù)學(xué)模型由PC機(jī)中的Matlab平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，分別用來 描述肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)、呼氣閥門、呼吸過程和面罩呼吸腔內(nèi)的氣體流量特性;所述的控制系 統(tǒng)以STM32F407IGT6微處理器為核心，用來運(yùn)行控制算法。所述的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模 型、呼氣閥門數(shù)學(xué)模型和呼吸數(shù)學(xué)模型分別連接面罩呼吸腔數(shù)學(xué)模型，PC機(jī)中的面罩呼吸 腔數(shù)學(xué)模型將解算出的系統(tǒng)輸出信號(hào)通過RS232串口傳遞給控制系統(tǒng)來解算控制信號(hào)，所 述的控制系統(tǒng)同時(shí)將解算出的控制信號(hào)通過RS232串口傳遞給PC機(jī)中的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù) 學(xué)模型來解算系統(tǒng)輸出。
[0041 ]所述的面罩呼吸腔數(shù)學(xué)模型具體描述為：
[0042]
[0043]其中，（· V為對(duì)時(shí)間求導(dǎo)算子，P為面罩呼吸腔內(nèi)氣體絕對(duì)壓力，R = 287(J/kg*K) 為氣體常數(shù)，T = 293.15(K)為面罩呼吸腔內(nèi)氣體溫度，GP為肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型輸出， 匕為呼氣閥門數(shù)學(xué)模型輸出，Qb為呼吸數(shù)學(xué)模型輸出，v為面罩呼吸腔與肺內(nèi)的氣體體積之 和。
[0044]肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型（比例流量閥數(shù)學(xué)模型)具體描述為：
[0045]
[0046] 其中，比例流量閥選型為Duray DFCV33-05，u為施加到比例流量閥上的實(shí)時(shí)控制 信號(hào)，Tv=0.04為比例流量閥慣性時(shí)間常數(shù)，a = 0.0087，b = -0.0041。
[0047] 呼吸數(shù)學(xué)模型具體描述為：
[0048]
[0049] 其中，11 = 20(〇5^16/111；[11)為肺呼吸頻率，'\^=1(1705^16)為肺潮氣量。
[0051]
[0050] 呼氣閥門數(shù)學(xué)模型具體描述為：
[0052]
[0053] 其中，Pa=1.01*105(Pa)為面罩呼吸腔外氣體絕對(duì)壓力，d e = 2*10-2(m)為呼氣閥門 直徑，K^MN/m)為呼氣閥門中彈簧剛度，U〇=l*l(T3(m)和U分別為呼氣閥門中彈簧預(yù)壓 縮量和壓縮量，〇<L e<4*l(T3(m)，μ = 0.61為流量系數(shù)，ko=l .4為氣體絕熱指數(shù)，g = 9.8 (N/kg)為重力加速度。
[0054]二、模擬供氧系統(tǒng)調(diào)試平臺(tái)
[0055] 以比例流量閥作為具體肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)的模擬供氧系統(tǒng)調(diào)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如 圖3所示。
[0056] 所述的比例流量閥數(shù)學(xué)模型對(duì)應(yīng)的是比例流量閥27的流量特性，呼氣閥門數(shù)學(xué)模 型對(duì)應(yīng)的是呼氣閥門9的流量特性，呼吸數(shù)學(xué)模型對(duì)應(yīng)的是吸氣作用13和呼氣作用14,面罩 呼吸腔數(shù)學(xué)模型對(duì)應(yīng)的是差壓傳感器16的數(shù)據(jù)采集過程。
[0057]所述的控制系統(tǒng)18通過控制量輸出信號(hào)線22與比例流量閥27連接;同時(shí)控制系統(tǒng) 18通過反饋信號(hào)線17連接差壓傳感器16;控制系統(tǒng)18根據(jù)差壓傳感器16的反饋信號(hào)及壓差 設(shè)定值產(chǎn)生控制信號(hào)，并對(duì)比例流量閥27進(jìn)行控制，用于使比例流量閥有一定開度;電源19 用于為控制系統(tǒng)18供電；
[0058]所述的比例流量閥27由螺線管26、密閉彈簧5、鐵芯24、密封圈3和接收控制信號(hào)的 控制量輸出信號(hào)線22組成，控制量輸出信號(hào)線22與螺線管26連接。所述鐵芯24和密封圈3配 合，用于在無電信號(hào)時(shí)通過密閉彈簧5將鐵芯緊壓在密封圈上，使閥門完全關(guān)閉，所述螺線 管26通過控制量輸出信號(hào)線22傳送的電信號(hào)產(chǎn)生電磁力，克服密閉彈簧5的彈力，將鐵芯24 從密封圈3上提起，使閥門有一定開度，穩(wěn)壓氣源1通過氣路2與比例流量閥中密封圈3的入 口相連。
[0059] 呼氣閥門9設(shè)置在面罩7上，呼氣閥門9與面罩7之間通過彈簧10設(shè)置有一個(gè)呼氣閥 門門板11。呼氣閥門用于排出模擬肺15呼出的二氧化碳，面罩內(nèi)外的壓力差克服彈簧作用， 將呼氣閥門門板打開，氣體排出。
[0060] 所述的差壓傳感器16設(shè)置在比例流量閥27與面罩7之間的氣路2中，面罩與氣路之 間同時(shí)設(shè)置有一個(gè)吸氣閥12,差壓傳感器用于測(cè)量面罩內(nèi)形成的呼吸腔內(nèi)外壓力差。
[0061 ]三、半實(shí)物仿真過程如下：
[0062]控制系統(tǒng)18中預(yù)先置入設(shè)計(jì)好的ADRC算法和設(shè)定壓力值OkPa，以10ms的采樣周期 通過RS232串口接收位于PC機(jī)的面罩呼吸腔數(shù)學(xué)模型所計(jì)算出的面罩呼吸腔內(nèi)外壓力差， ADRC算法根據(jù)采樣到的壓力差和設(shè)定壓力值解算出控制量?？刂葡到y(tǒng)18得到的控制信號(hào)以 10ms的控制周期通過RS232串口輸出至比例流量閥數(shù)學(xué)模型，從而影響面罩呼吸腔數(shù)學(xué)模 型的輸出，面罩呼吸腔數(shù)學(xué)模型計(jì)算出面罩呼吸腔內(nèi)外壓差并形成動(dòng)態(tài)壓力曲線，這些動(dòng) 態(tài)壓力值模擬了差壓傳感器的信號(hào)采集過程，并將面罩呼吸腔內(nèi)外壓力差通過RS232串口 傳送至控制系統(tǒng)，供置入到控制系統(tǒng)中的面罩壓力調(diào)節(jié)控制算法解算控制量，實(shí)現(xiàn)對(duì)面罩 呼吸腔內(nèi)壓力的控制。
[0063]圖4為PC機(jī)上實(shí)時(shí)顯示的模擬肺潮氣量為l(L/CyCle)、呼吸頻率固定為20(cy Cle/ min)，以比例流量閥作為肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)，采用ADRC算法時(shí)，半實(shí)物仿真系統(tǒng)得到和差壓傳 感器采集到的面罩呼吸腔內(nèi)壓力變化曲線對(duì)比。
[0064]控制系統(tǒng)中使用中斷式進(jìn)行串口通信，配置步驟如下：
[0065] a)GPI0串口復(fù)用初始化；
[0066] b)USART(串口）初始化；
[0067] c)NVIC(中斷向量)初始化；
[0068] d)利用sprintf()函數(shù)將浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成文本后發(fā)送，將接收到的文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換成浮點(diǎn)型參與運(yùn)算；
[0069] Mat lab平臺(tái)中對(duì)串口的設(shè)置分為四個(gè)步驟：
[0070] (1)創(chuàng)建串口設(shè)備對(duì)象并設(shè)置其屬性，包括串口號(hào)、波特率、奇偶校驗(yàn)位、停止位、 緩沖區(qū)屬性的設(shè)置，相應(yīng)指令為：
[0071 ] scom = serial(，COM4，，'BaudRate，，115200，'Parity，，'none，，'DataBits，，8，' StopBits', 1)；
[0072] (2)利用函數(shù)f〇pen(SC〇m)打開串口設(shè)備；
[0073] (3)sprintf 〇函數(shù)將浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成文本后利用fscanf 〇函數(shù)實(shí)現(xiàn)讀操作，將 接收到的文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)型后利用fprintfO函數(shù)進(jìn)行寫操作；
[0074] (4)fclose(scom)函數(shù)關(guān)閉串口設(shè)備對(duì)象，delete(scom)函數(shù)刪除內(nèi)存中的串口 設(shè)備對(duì)象，clear scorn清除工作空間中的串口設(shè)備對(duì)象。
[0075] 通過半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際調(diào)試平臺(tái)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出，所發(fā)明的氧氣 面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)半實(shí)物仿真系統(tǒng)可以根據(jù)選用的應(yīng)用對(duì)象結(jié)構(gòu)和控制算法，逼近實(shí)際 調(diào)試平臺(tái)，為實(shí)際調(diào)試平臺(tái)的控制方案設(shè)計(jì)提供一定的參考價(jià)值，節(jié)約成本，縮短開發(fā)周 期。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種氧氣面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)半實(shí)物仿真系統(tǒng)，其特征在于:該系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)、 肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型、呼氣閥口數(shù)學(xué)模型、呼吸數(shù)學(xué)模型和面罩呼吸腔數(shù)學(xué)模型;所述 的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型、呼氣閥口數(shù)學(xué)模型、呼吸數(shù)學(xué)模型和面罩呼吸腔數(shù)學(xué)模型由 PC機(jī)中的Matlab平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，分別用來描述肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)、呼氣閥口、呼吸過程和面罩呼吸 腔內(nèi)的氣體流量特性;所述的控制系統(tǒng)WARM微處理器為核屯、，用來運(yùn)行控制算法;所述的 肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型、呼氣閥口數(shù)學(xué)模型和呼吸數(shù)學(xué)模型分別連接面罩呼吸腔數(shù)學(xué)模 型，PC機(jī)中的面罩呼吸腔數(shù)學(xué)模型將解算出的系統(tǒng)輸出信號(hào)通過RS232串口傳遞給控制系 統(tǒng)來解算控制信號(hào)，所述的控制系統(tǒng)同時(shí)將解算出的控制信號(hào)通過RS232串口傳遞給PC機(jī) 中的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型來解算系統(tǒng)輸出； 所述的面罩呼吸腔數(shù)學(xué)模型具體描述為：其中，（· r為對(duì)時(shí)間求導(dǎo)算子，P為面罩呼吸腔內(nèi)氣體絕對(duì)壓力，R為氣體常數(shù)，T為面 罩呼吸腔內(nèi)氣體溫度，Gp為肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型輸出，Ge為呼氣閥口數(shù)學(xué)模型輸出，Qb 為呼吸數(shù)學(xué)模型輸出，V為面罩呼吸腔與肺內(nèi)的氣體體積之和； 所述的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型用Gp(t) = f((u))來描述，其中，U為實(shí)施于肺式調(diào)節(jié)閥 結(jié)構(gòu)的控制信號(hào)，f為U的函數(shù)，f的具體形式由應(yīng)用對(duì)象中的具體肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)決定； 所述的呼吸數(shù)學(xué)模型具體描述為：其中，η為肺呼吸頻率，Vi為肺潮氣量； 所述的呼氣閥口數(shù)學(xué)模型具體描述為：其中，Pa為面罩呼吸腔外氣體絕對(duì)壓力，de為呼氣閥口直徑，Ke為呼氣閥口中彈黃剛度， Leo和Le分別為呼氣閥口中彈黃預(yù)壓縮量和壓縮量，μ為流量系數(shù)，k日為氣體絕熱指數(shù)，g為重 力加速度。 所述的控制系統(tǒng)WARM微處理器為核屯、，兼容性強(qiáng)，置入其中的控制算法可W任意更 換，通過實(shí)時(shí)顯示在PC機(jī)上的面罩呼吸腔壓力動(dòng)態(tài)曲線來驗(yàn)證不同控制算法的效率，縮短 了氧氣面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)器控制方案的開發(fā)周期； 所述的半實(shí)物仿真系統(tǒng)中肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型可w針對(duì)不同的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu) 進(jìn)行更換，不影響其他部分的功能，具有應(yīng)用對(duì)象結(jié)構(gòu)靈活的特點(diǎn)。2.-種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述的氧氣面罩呼吸腔壓力調(diào)節(jié)半實(shí)物仿真系統(tǒng)的模擬供氧系 統(tǒng)調(diào)試平臺(tái)，其特征在于該調(diào)試平臺(tái)包括所述的控制系統(tǒng)（18)，所述的控制系統(tǒng)（18)通過 控制量輸出信號(hào)線(22)與肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型對(duì)應(yīng)的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)(23)連接，用于 使肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)有一定開度；同時(shí)通過反饋信號(hào)線（17)連接面罩呼吸腔數(shù)學(xué)模型對(duì)應(yīng)的 差壓傳感器(16);控制系統(tǒng)（18)根據(jù)差壓傳感器(16)的反饋信號(hào)及壓差設(shè)定值產(chǎn)生控制信 號(hào)；電源(19)用于為控制系統(tǒng)（18)供電； 所述的肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)(23)包括:用于產(chǎn)生拉力的動(dòng)力裝置(6)，密閉彈黃(5)，肺式閥 口板(4)和密封圈（3);所述肺式閥口板(4)和密封圈（3)配合，用于在無電信號(hào)時(shí)通過密閉 彈黃(5)將肺式閥口板(4)緊壓在密封圈（3)上，使閥口完全關(guān)閉；動(dòng)力裝置(6)通過控制量 輸出信號(hào)線（22)傳送的電信號(hào)產(chǎn)生拉力，克服密閉彈黃(5)的彈力，將肺式閥口板(4)從密 封圈（3)上提起，使閥口有一定開度;穩(wěn)壓氣源（1)通過氣路(2)與肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)中密封圈 (3)的入口相連； 與所述的呼氣閥口數(shù)學(xué)模型對(duì)應(yīng)的呼氣閥口（9)設(shè)置在面罩（7)上，呼氣閥口（9)與面 罩(7)之間通過彈黃（10)設(shè)置有一個(gè)呼氣閥口口板（11);呼氣閥口（9)用于排出模擬肺呼出 的二氧化碳，面罩(7)內(nèi)外的壓力差克服彈黃（10)的作用，將呼氣閥口口板（11)打開，氣體 排出； 與所述的呼吸數(shù)學(xué)模型對(duì)應(yīng)的是面罩(7)內(nèi)形成的呼吸腔(8)內(nèi)的吸氣作用（13)和呼 氣作用（14); 與所述的面罩呼吸腔數(shù)學(xué)模型對(duì)應(yīng)的差壓傳感器（16)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集過程，差壓傳感器 (16)設(shè)置在肺式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)(23)與面罩(7)之間的氣路(2)中，面罩(7)與氣路(2)之間同時(shí) 設(shè)置有一個(gè)吸氣閥（12)，差壓傳感器（16)用于測(cè)量面罩(7)內(nèi)形成的呼吸腔（8)內(nèi)外壓力 差D
【文檔編號(hào)】G05B17/02GK105974823SQ201610416727
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年6月14日
【發(fā)明人】孫青林, 蔣玉新, 張曉雷, 檀盼龍, 孫昊, 羅淑貞, 孫明瑋
【申請(qǐng)人】南開大學(xué)