專利名稱：一種呼吸壓力模糊控制式呼吸機及呼吸壓力模糊控制方法
技術領域：
本發明涉及呼吸機，尤其涉及一種呼吸壓力模糊控制式呼吸機及呼吸壓力模糊控制方法。
背景技術：
呼吸肌是指與呼吸運動有關的肌肉。包括肋間外肌和膈肌，胸鎖乳突肌、背部肌群、胸部肌群等等。
呼吸機是一種能代替、控制或改變人的正常生理呼吸，增加肺通氣量，改善呼吸功能，減輕呼吸功消耗，節約心臟儲備能力的裝置。
現有的呼吸機通常具備四個基本功能，即向肺充氣、吸氣向呼氣轉換，排出肺泡氣以及呼氣向吸氣轉換，依次循環往復。包括⑴能提供輸送氣體的動力，代替人體呼吸肌的工作；⑵能產生一定的呼吸節律，包括呼吸頻率和吸呼比，以代替人體呼吸中樞神經支配呼吸節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。動力源可用壓縮氣體作動力(氣動)或電機作為動力(電動)呼吸頻率及吸呼比亦可利用氣動氣控、電動電控、氣動電控等類型，呼與吸氣時相的切換，常于吸氣時于呼吸環路內達到預定壓力后切換為呼氣(定壓型)或吸氣時達到預定容量后切換為呼氣(定容型)，不過現代呼吸機都兼有以上兩種形式。
PID控制是工業生產過程中最常見的控制方法，有著實·現簡便、使用靈活等優勢。 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，因此它的傳遞函數為G(s) =U(s)/E(s)=kp(1+1/ (TI*s)+TD*s)；其中kp為比例系數；TI為積分時間常數；TD為微分時間常數。比例單元能夠及時的反應誤差情況，并提供對應的糾正；積分單元能夠消除系統的靜差，增加控制的準確度； 微分單元能夠感知信號變化趨勢，提前修正偏差。
呼吸機控制的發展經歷了由開環到閉環，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。傳統的呼吸機控制方法的理論基礎為基于固定數學模型的經典控制理論，但是由于人體的生理變化等諸多因素是時變非線性的，呼吸機的數學模型實際應為時變非線性模型，因此傳統的定容型呼吸機和定壓型呼吸機及其控制方法導致了實際應用時某些情況下的控制無效性。另外調節器參數與呼吸機系統所處的穩態工作狀況有關， 因此對于PID參數整定就有相當的工作量。當被控對象發生變化時，需要調節器參數作出相應的調整。由于調節器的參數是根據過程參數整定的，所以沒有“自適應能力”，只有靠人工重新整定參數。但是由于控制過程的連續性和參數整定需要的時間，使得重新整定實際很難執行，在實際控制中幾乎是無法完成的。在實際應用中，通過對其簡化可以變成基本線性和動態特性不隨時間變化的系統，這樣PID就可控制了，但控制的效果較差。并且采用傳統PID算法控制器的呼吸機有時會產生一沖一沖的感覺，無法跟蹤病人的呼吸，往往造成人機對抗，使用舒適感較差，嚴重時甚至會造成醫療事故。發明內容
本發明的第一發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。
一種呼吸壓力模糊控制式呼吸機，包括吸氣回路、呼氣回路、面罩；所述吸氣回路、 呼氣回路同時連接面罩；還包括用于控制吸氣回路、呼氣回路內各部件動作的模糊PID控制器。
根據上述結構，本發明一種呼吸壓力模糊控制式呼吸機能夠根據各傳感器獲取輸入信號變量，通過模糊PID控制模糊控制后輸出實際輸出量，使本發明使用的過程中，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。
通過以上結構，本發明一種呼吸壓力模糊控制式呼吸機能夠獲取呼氣流量信號、 呼氣壓力信號，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、儲氣筒、氧氣輸入單向閥、空氣輸入單向閥、調壓閥、精密調壓閥、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壓閥串聯吸氣電磁比例閥；所述儲氣筒連接濕化器；所述空氧混合器連接儲氣筒；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壓閥串聯，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。
通過以上結構，本發明一種呼吸壓力模糊控制式呼吸機能夠獲取吸氣流量信號、 吸氣壓力信號、氧濃度信號；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警器。使得本發明在輸入氧氣量低于需要輸入值時能夠自動報警，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警器。使 得本發明在輸入空氣量低于需要輸入值時能夠自動報警，提高了安全性。
本發明的另一發明目的在于提供一種呼吸壓力模糊控制方法。
初始狀態下工作的呼吸機內的模糊PID控制器通過各傳感器獲取輸入信號變量， 模糊控制后輸出實際控制量；所述模糊控制包括輸入信號變量模糊化將輸入信號變量值轉換成機器語言；模糊推理根據模糊推理算法，得出與輸入信號變量值對應的模糊控制量；模糊控制量解模糊根據解模糊算法，解模糊所述的模糊控制量，得出實際控制量。
可選的，所述的輸入信號變量包括呼氣壓力信號、呼氣流量信號、吸氣壓力信號、 吸氣流量信號、氧濃度信號。
根據上述內容，本發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、以及一種能夠實現呼吸機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本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，并不構成對本發明的不當限定，在附圖中圖1為本發明實施例1提供的一種氣路原理圖。
具體實施方式
下面將結合附圖以及具體實施例來詳細說明本發明，在此本發明的示意性實施例以及說明用來解釋本發明，但并不作為對本發明的限定。
實施例1 :如圖1所示，本實施例公開了一種呼吸壓力模糊控制呼吸機。
其中一種呼吸壓力模糊控制呼吸機包括吸氣回路、呼氣回路、面罩100 ;吸氣回路、呼氣回路同時連接面罩100 ;還包括用于控制吸氣回路、呼氣回路內各部件動作的模糊 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、儲氣筒340、氧氣輸入單向閥360、空氣輸入單向閥 370、調壓閥(361、371)、精密調壓閥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通過精密調壓閥311串聯吸氣電磁比例閥310 ;儲氣筒340連接濕化器330 ;空氧混合器350連接儲氣筒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分別通過調壓閥(361、371)串聯，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連接有低氧報警器362 ;空氣輸入單向閥370連接有空氣報警器372。
本實施例中通過模糊PID控制器(未圖示)輸出實際控制量控制各部件的動作，而各傳感器收集各部位信號變量傳輸至模糊PID控制器內進行模糊控制運算，其中吸氣電磁比例閥可以通過相應的控制信號(電壓或電流信號)來控制閥孔開度在一定范圍內連續變化，模糊PID控制器可以通過控制各閥的開度，控制進入后級氣路的流量在一定范圍內連續變化，進而控制氣道壓力。
本發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則與模糊推理的控制理論，是智能控制的一個重要分支。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化為計算機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現控制，所以不需要被控對象具有精確的數學模型，在對復雜的時便非線性系統的控制上，較傳統控制方法有很大的優勢。
模糊控制的過程可以分為(O輸入信號變量模糊化將輸入信號變量值轉換成機器語言；(2)模糊推理根據模糊推理算法，得出與輸入信號變量值對應的模糊控制量；(3)模糊控制量解模糊根據解模糊算法，解模糊所述的模糊控制量，得出實際控制量。
要實現模糊控制，首先要對輸入參數模糊化，將輸入變量值轉換成相應的語言描述。根據規則庫提供的模糊推理算法，得到與輸入變量值相應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過模糊推理得到的值按照解模糊算法，給出一個確定的控制量。PID控制在靜差消除和控制精度上都有比較大的優勢，但PID控制要求控制對象為線性系統(或可簡化為線性時不變系統)。呼吸機在工作時，整個系統呈非線性，且對于不同病人或同一病人的不同時期，系統差異會比較大，采用模糊控制和PID控制相結合的控制方法。 針對系統的即時狀態，通過模糊控制來改變PID控制器的系數，使之與當前系統特性相符， 以得到理想的控制效果。
下面以本發明一種呼吸壓力模糊控制式呼吸機為例常見呼吸機壓力控制范圍為0-120cmH20，常用范圍為0_40 CmH2O0
輸入信號變量模糊化根據本發明壓力控制特性，選取壓力誤差e的基本論域為 [-15cmH20,15cmH20]，量化論域為[_6，6]，詞集為{NB, NM, NS, Z0, PS, PM, PB}，隸屬函數為高斯形函數。誤差變化率Ae的基本論域為[-4CmH20，4CmH20]，量化論域為[_6，6]，詞集為 {NB,匪，NS, Z0, PS, PM, PB}，隸屬函數為高斯形函數。
模糊推理模糊控制算法是模糊PID控制器的核心，根據控制原理，結合實際調試結果來得到模糊控制的規則。
數字PID控制器工作時，t時刻輸出控制量(1)u (t) =Kp*e (t) +Ki* Σ e (t) +Kd [e (t_l) _e (t_2)]k時刻控制量比k-1時控制量的增量即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)暫時不考慮微分作用，在偏差較大時，要求取較大的Ki 值，Kp取較小的值，可以迅速的消除誤差；當被控對象接近設定值時，則要求減小Ki值，增加Kp的值，可以避免積分帶來超調。由于Ki和Kp的調節方向相反，可以只使用一個可變因子來實現對Ki和Kp的調節。
根據以上分析，設調節因子為α⑴，則Ki和Kp的調節關系(3)Ki (t) =Ki (O)*(I/α ⑴)；(4)Kp (t) =Kp (O) * (1+a (t)) /2 ；式中a (t)由模糊控制產生，用于實時調節Ki和Kp。模糊控制環節產生模糊控制量 μ (t)，進而控制調節因子a (t)(5)a (t)= a (t-1) +0.1 μ (t)；分析模糊控制輸出μ (t)的調節規律，結合設計經驗及實驗驗證結果，最終確定模糊控制規則表如表I所示
權利要求
1.一種呼吸壓力模糊控制式呼吸機，其特征在于 包括吸氣回路、呼氣回路、面罩； 所述吸氣回路、呼氣回路同時連接面罩； 還包括用于控制吸氣回路、呼氣回路內各部件動作的模糊PID控制器。
2.根據權利要求1所述的一種呼吸壓力模糊控制式呼吸機，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.根據權利要求2所述的一種呼吸壓力模糊控制式呼吸機，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、儲氣筒、氧氣輸入單向閥、空氣輸入單向閥、調壓閥、精密調壓閥、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壓閥串聯吸氣電磁比例閥； 所述儲氣筒連接濕化器； 所述空氧混合器連接儲氣筒； 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壓閥串聯，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.根據權利要求3所述的一種呼吸壓力模糊控制式呼吸機，其特征在于 還包括連接所述氧氣輸入單向閥的低氧報警器。
5.根據權利要求3所述的一種呼吸壓力模糊控制式呼吸機，其特征在于 還包括連接所述空氣輸入單向閥的空氣報警器。
6.一種呼吸壓力模糊控制方法，其特征在于 初始狀態下工作的呼吸機內的模糊PID控制器通過各傳感器獲取輸入信號變量，模糊控制后輸出實際控制量； 所述模糊控制包括輸入信號變量模糊化、模糊推理、模糊控制量解模糊； 輸入信號變量模糊化將輸入信號變量值轉換成機器語言； 模糊推理根據模糊推理算法，得出與輸入信號變量值對應的模糊控制量； 模糊控制量解模糊根據解模糊算法，解模糊所述的模糊控制量，得出實際控制量。
7.根據權利要求6所述一種呼吸壓力模糊控制方法，其特征在于 所述的輸入信號變量包括呼氣壓力信號、呼氣流量信號、吸氣壓力信號、吸氣流量信號、氧濃度信號。
全文摘要
本發明涉及呼吸機，公開了一種呼吸壓力模糊控制式呼吸機及呼吸壓力模糊控制方法。本發明通過模本實施例中通過模糊PID控制器輸出實際控制量控制各部件的動作，而各傳感器收集各部位信號變量傳輸至模糊PID控制器內進行模糊控制運算，其中吸氣電磁比例閥可以通過相應的控制信號(電壓或電流信號)來控制閥孔開度在一定范圍內連續變化，模糊PID控制器可以通過控制各閥的開度，控制進入后級氣路的流量在一定范圍內連續變化，進而控制氣道壓力。使得病人使用本呼吸機，呼吸更舒適、更安全。
文檔編號A61M16/00GK103028170SQ20111029452
公開日2013年4月10日 申請日期2011年9月30日 優先權日2011年9月30日
發明者汪家旺 申請人:南京普澳醫療設備有限公司