一種提高潮氣量控制精度的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種提高潮氣量控制精度的方法，所述方法包括如下步驟：步驟一，分別對(duì)比例閥的開(kāi)閥過(guò)程、關(guān)閥過(guò)程建模；步驟二，利用積分計(jì)算比例閥在開(kāi)閥過(guò)程和關(guān)閥過(guò)程的面積，評(píng)估比例閥在開(kāi)閥過(guò)程和關(guān)閥過(guò)程中流過(guò)的容量；步驟三，根據(jù)所述容量計(jì)算關(guān)閉比例閥條件，在容量通氣控制中，按所述條件提前開(kāi)始關(guān)閉比例閥，對(duì)潮氣量進(jìn)行精確控制。本發(fā)明對(duì)比例閥關(guān)閉過(guò)程進(jìn)行建模，根據(jù)比例閥控制算法計(jì)算出每個(gè)控制周期內(nèi)流過(guò)比例閥的流量，利用積分計(jì)算出比例閥關(guān)閉階段面積，從而可以準(zhǔn)確評(píng)估出比例閥從一定開(kāi)度到關(guān)閉過(guò)程中流過(guò)的容量，提前開(kāi)始關(guān)閉比例閥，從而實(shí)現(xiàn)潮氣量的更精確控制。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種提高潮氣量控制精度的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明具體涉及一種提高潮氣量控制精度的方法，屬于呼吸機(jī)、麻醉機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 容量目標(biāo)型通氣作為一種重要的通氣方式，在呼吸機(jī)及麻醉機(jī)產(chǎn)品中均有非常普 遍的應(yīng)用。通過(guò)精確控制每次呼吸過(guò)程中進(jìn)入病人肺內(nèi)的潮氣量，容量目標(biāo)型通氣方式可 以保證病人每次呼吸的潮氣量供給。為了保證潮氣量控制精度，業(yè)內(nèi)普遍方案是:按照設(shè)置 流量持續(xù)通氣，按固定周期檢測(cè)流量，對(duì)流量積分，達(dá)到設(shè)定潮氣量后，立即關(guān)閉吸氣閥，從 而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)潮氣量的閉環(huán)控制，控制流程圖如圖1所示。由于比例閥本身的遲滯，關(guān)閥過(guò)程 中仍會(huì)通過(guò)一定容量的氣體，導(dǎo)致實(shí)際潮氣量大于設(shè)置潮氣量。
[0003] 容量目標(biāo)型通氣，理想控制曲線表現(xiàn)為方波，即比例閥可以瞬間開(kāi)關(guān)。如圖2所示， 在ti時(shí)刻打開(kāi)比例閥到目標(biāo)流量Fset，持續(xù)通Fset的流量，根據(jù)容量實(shí)時(shí)反饋，在t 2時(shí)刻檢 測(cè)到進(jìn)氣容量達(dá)到設(shè)置潮氣量時(shí)，關(guān)閉比例閥，理想情況下比例閥可立即關(guān)閉，此時(shí)進(jìn)氣容 量等于設(shè)置潮氣量，對(duì)應(yīng)t 2時(shí)間段內(nèi)矩形面積。
[0004] 但是實(shí)際的吸氣階段流量控制并非如此，比例閥開(kāi)關(guān)均需要一定的時(shí)間，這段開(kāi) 關(guān)時(shí)間不可忽略。故容量目標(biāo)型通氣下流量曲線呈現(xiàn)出圖3所示的波形，而非圖2所示的理 想方波。
[0005] 圖3所示0-。為比例閥由關(guān)閉狀態(tài)開(kāi)啟到設(shè)置流量Fset的過(guò)程，ti_ t2為比例閥穩(wěn) 定到一定開(kāi)度維持Fset的過(guò)程，t2_t3為比例閥由一定開(kāi)度關(guān)閉的過(guò)程。
[0006] 根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案，當(dāng)容量實(shí)時(shí)反饋檢測(cè)到進(jìn)氣容量達(dá)到目標(biāo)潮氣量時(shí)，t2 時(shí)刻開(kāi)始關(guān)閉比例閥，t3時(shí)刻比例閥才會(huì)完全關(guān)閉。t2_t3時(shí)刻比例閥關(guān)閉過(guò)程中會(huì)有多余 的流量流入，導(dǎo)致吸氣階段實(shí)際潮氣量相對(duì)設(shè)置潮氣量多出一部分，多出的這部分容量對(duì) 應(yīng)t 2-t3時(shí)間段流量曲線圍成的面積S3，而設(shè)置潮氣量對(duì)應(yīng)的是0-t2時(shí)間段流量曲線圍成面 積 Sl+S2〇

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對(duì)上述缺點(diǎn)，本發(fā)明通過(guò)對(duì)比例閥關(guān)閉過(guò)程中流過(guò)的容量進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，提前 關(guān)閉比例閥，從而實(shí)現(xiàn)潮氣量的更精確控制。
[0008] 具體的，本發(fā)明提供一種提高潮氣量控制精度的方法，所述方法包括如下步驟： 步驟一，分別對(duì)比例閥的開(kāi)閥過(guò)程、關(guān)閥過(guò)程建模； 步驟二，利用積分計(jì)算比例閥在開(kāi)閥過(guò)程和關(guān)閥過(guò)程的面積，評(píng)估比例閥在開(kāi)閥過(guò)程 和關(guān)閥過(guò)程中流過(guò)的容量； 步驟三，根據(jù)所述容量計(jì)算關(guān)閉比例閥條件，在容量通氣控制中，按所述條件提前開(kāi)始 關(guān)閉比例閥，對(duì)潮氣量進(jìn)行精確控制。
[0009] 進(jìn)一步，如上所述的提高潮氣量控制精度的方法，所述步驟一中建模的計(jì)算公式 為：
其中：Resul t為計(jì)算后比例閥設(shè)置流量;LaSt_Resul t為上次比例閥設(shè)置流量;Ki為積 分控制系數(shù);Err or為偏差，Err or計(jì)算公式為：
其中，為實(shí)際測(cè)量的流量，謂_為設(shè)置流量。
[0010] 進(jìn)一步，如上所述的提高潮氣量控制精度的方法，Ki的取值范圍為(0，1)，在(0， 0.5]范圍效果更佳。
[0011] 進(jìn)一步，如上所述的提高潮氣量控制精度的方法，所述步驟二關(guān)閥過(guò)程流過(guò)的容 量評(píng)估方法為：關(guān)閉比例閥時(shí)，F(xiàn)low sei為0，此時(shí)的FiGW m.g挪放:e 為通氣階段的流量，對(duì)應(yīng) 吸氣階段設(shè)置流量FloWinsp，每個(gè)控制周期比例閥計(jì)算一次Error，然后計(jì)算Resul t作用到 比例閥，計(jì)算出關(guān)閉比例閥階段每個(gè)控制周期(T )的流量依次為:FIOWinsp* ( I-Ki )，F(xiàn)IOWinsp* (1-Ki)2，F(xiàn)loWinsp*(l_Ki) 3，···，F(xiàn)loWinsp*(l_Ki)n; 革_彳寸鴉由播彳寸的矣是先.
其中，T為控制周期； 利用等比方程求和化簡(jiǎn)得：
如此，根據(jù)積分控制比例閥算法，可以計(jì)算出不同設(shè)置流量下關(guān)閉比例閥過(guò)程中流過(guò) 的容量。
[0012] 進(jìn)一步，如上所述的提高潮氣量控制精度的方法，所述步驟二開(kāi)閥過(guò)程流過(guò)的容 量評(píng)估方法為:開(kāi)閥時(shí)，計(jì)算出打開(kāi)比例閥階段每個(gè)控制周期(T)的流量依次為:Fl 〇Winsp*
[I-(I-Ki)1],FlowinsP*[l-(l-Ki)2],Flowins P*[l-(l-Ki)3], · · · ,FlowinsP*[l-(l-Ki)n], 比例閥開(kāi)啟階段的容量為：
5 口此，很據(jù)枳甘捏制κ例網(wǎng)昇云，η」以訂昇出個(gè)冋議置m重卜開(kāi)汩比例網(wǎng)]〇:桎甲m過(guò) 的容量。
[0013] 進(jìn)一步，如上所述的提高潮氣量控制精度的方法，根據(jù)用戶設(shè)定的潮氣量，以及開(kāi) 關(guān)閥控制過(guò)程建模，對(duì)吸氣階段設(shè)置流量和吸氣時(shí)間進(jìn)行限定。
[0014] 進(jìn)一步，如上所述的提高潮氣量控制精度的方法，吸氣階段設(shè)置流量和吸氣時(shí)間 需同時(shí)滿足以下條件： 設(shè)置流量多（設(shè)置潮氣量-(開(kāi)閥容量+關(guān)閥容量）V(吸氣時(shí)間-(開(kāi)閥時(shí)間+關(guān)閥時(shí) 間））； 開(kāi)閥容量+關(guān)閥容量 < 設(shè)置潮氣量； 吸氣時(shí)間多開(kāi)閥時(shí)間+關(guān)閥時(shí)間。
[0015] 進(jìn)一步，如上所述的提高潮氣量控制精度的方法，所述步驟三中關(guān)閉比例閥條件 為，通氣容量達(dá)到設(shè)置潮氣量與預(yù)估關(guān)閥過(guò)程流過(guò)容量的差值，即進(jìn)氣容量達(dá)到上述差值 時(shí)開(kāi)始關(guān)閉比例閥。
[0016] 本發(fā)明對(duì)比例閥關(guān)閉過(guò)程進(jìn)行建模，根據(jù)比例閥控制算法計(jì)算出每個(gè)控制周期內(nèi) 流過(guò)比例閥的流量，利用積分計(jì)算出t2_t 3階段面積S3,從而可以準(zhǔn)確評(píng)估出比例閥從一定 開(kāi)度到關(guān)閉過(guò)程中流過(guò)的容量，以設(shè)置潮氣量與該關(guān)閥容量的差值作為開(kāi)始關(guān)閉比例閥的 條件，對(duì)潮氣量進(jìn)行精確控制。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1為傳統(tǒng)容量目標(biāo)型通氣控制流程圖； 圖2為容量控制通氣吸氣階段流量變化理想情況示意圖； 圖3為容量控制通氣吸氣階段流量變化實(shí)際情況示意圖； 圖4為通過(guò)積分評(píng)估關(guān)閥過(guò)程中流過(guò)的容量示意圖； 圖5為本發(fā)明容量目標(biāo)型通氣控制流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0019] 首先對(duì)吸氣階段整個(gè)流量控制波形進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)用戶設(shè)定的吸氣時(shí)間Ti和潮氣 量VT，判斷吸氣階段設(shè)置流量Flowinsp是否合理。
[0020] 在比例閥可以瞬間開(kāi)關(guān)的理想情況下，吸氣流量Flowinsp只要滿足：
即可保證能夠在設(shè)定吸氣時(shí)間Ti內(nèi)輸送VT的潮氣量。
[0021] 但是，由于比例閥存在一定的開(kāi)關(guān)時(shí)間，故？1〇^_在設(shè)置時(shí)需要對(duì)開(kāi)關(guān)時(shí)間進(jìn)行 考慮。
[0022] 分別對(duì)開(kāi)閥過(guò)程(Ο-tl)、關(guān)閥過(guò)程(t2_t3)建模，評(píng)估比例閥開(kāi)關(guān)過(guò)程用時(shí)及流過(guò) 的容量。
[0023] 以積分棹制為例
，對(duì)津樽方案講行詳細(xì)闡述。積分控制比例閥的計(jì)算公式為： 其中： Re su 11為計(jì)算后比例閥設(shè)置流量； Last_Result為上次比例閥設(shè)置流量； Ki為積分控制系數(shù)，本實(shí)施實(shí)例以Ki=O.5為例完成下面的計(jì)算； Error為偏差，Error計(jì)算公式為：
為實(shí)際測(cè)量的流量，__^s&為設(shè)置流量； 根據(jù)比例閥關(guān)閉過(guò)程，準(zhǔn)確評(píng)估出t2_t3時(shí)間段內(nèi)流入的容量。
[0024] 根據(jù)比例閥控制算法，可獲得比例閥關(guān)閉過(guò)程中每個(gè)控制周期比例閥流過(guò)的流 量，對(duì)該流量進(jìn)行積分，如圖4所示，即可準(zhǔn)確計(jì)算出比例閥關(guān)閉過(guò)程中流過(guò)的容量，對(duì)應(yīng) t2-t3階段流量曲線圍成面積。
[0025] 參照積分控制比例閥算法，關(guān)閉比例閥時(shí)，謂努__為0，而此時(shí)的H稱(chēng)^為 通氣階段的流量，對(duì)應(yīng)吸氣階段設(shè)置流量Flowinsp，每個(gè)控制周期（T)比例閥會(huì)計(jì)算一次 Error，然后計(jì)算Result作用到比例閥，可計(jì)算出關(guān)閉比例閥階段每個(gè)控制周期（T)的流量 依次為：FloWinsp*(l-Ki)，F(xiàn)loWi nsp*(l-Ki)2，F(xiàn)loWinsp*(l_Ki)3，· · ·，F(xiàn)loWinsp*(l_Ki)n， 對(duì)于η的取值，本實(shí)施實(shí)例以當(dāng)一奪:茛::_稱(chēng)^ * :時(shí)認(rèn)為 比例閥已關(guān)閉到零流量，即_ -廳尸;玄:__!，由燈=0.5可求得11=10。如果認(rèn)為比例閥已 關(guān)閉到零流量的判別條件改變時(shí)，η的取值可能會(huì)隨之變化。η*Τ為關(guān)閥時(shí)間，n=10時(shí)，關(guān)閥 時(shí)間為1〇*Τ。
[0026] 關(guān)閥過(guò)程中流過(guò)的容量為：
根據(jù)積分控制比例閥算法，可以計(jì)算出不同設(shè)置流量下關(guān)閉比例閥過(guò)程中流過(guò)的容量 CloseValveVTio
[0027] 參照關(guān)閥過(guò)程，對(duì)于開(kāi)閥過(guò)程，計(jì)算出打開(kāi)比例閥階段每個(gè)控制周期(T)的流量依 次為：FlowinspWl-d-KiYLFlowinst^lil-d-KiyiUFlowinst^lil-d-Ki) 3]，· · ·，
Fl〇Winsp*[ I-(I-Ki)nI, 對(duì)于η的取值，本實(shí)施實(shí)例以g 時(shí)，認(rèn)為比例閥已開(kāi)啟到設(shè)置流量Flowinsp，即謂一·觀身_:，由Ki=O . 5可求 得n=10。如果認(rèn)為比例閥已開(kāi)啟到設(shè)置流量Flowinsp的判別條件改變時(shí)，η的取值可能會(huì)隨 之變化。η*Τ為開(kāi)閥時(shí)間，n=l 0時(shí)，開(kāi)閥時(shí)間為10*Τ。
[0028] 可求得比例閥開(kāi)啟階段的容量為：
化簡(jiǎn)得：
根據(jù)積分控制比例閥算法，可以計(jì)算出不同設(shè)置流量下開(kāi)啟比例閥過(guò)程中流過(guò)的容量 OpenValveVTio
[0029]需滿足以下關(guān)系，才能保證設(shè)置吸氣時(shí)間Ti內(nèi)進(jìn)氣容量達(dá)到VT:
另外設(shè)置流量還要滿足 C)p^o：?a：l?e￥f I -f <； PJ太索偷索仿Il由雲(yún)端B.
由此完成對(duì)FloWinsp的限定：
其中Ti需大于等于20*T。
[0030] 以上計(jì)算均在Ki=O. 5，判斷完成關(guān)閥條件為* (iK丨)κ S Flow崎* 0、1%， 判Iffi白出亦1>￥1欠處4
99.9?，基礎(chǔ)上完成。如果Ki及完成開(kāi)關(guān)閥條件改變，以 上計(jì)算數(shù)值也會(huì)有所變化。
[0031] 根據(jù)用戶設(shè)定的吸氣時(shí)間Ti和潮氣量VT，利用積分控制系數(shù)Ki及控制周期T，可對(duì) 吸氣階段設(shè)置流量Flowinsp進(jìn)行限定，避免Flowi nsp較小導(dǎo)致進(jìn)氣容量無(wú)法在Ti時(shí)間內(nèi)達(dá)到 VT，或Flowinsp太大而使潮氣量大于設(shè)置潮氣量，用戶設(shè)置吸氣流量?1〇?1卿需限定在上述計(jì) 算范圍內(nèi)。
[0032] 完成吸氣流量限定后，參考以上吸氣階段過(guò)程的建模，可對(duì)關(guān)閥時(shí)機(jī)進(jìn)行更準(zhǔn)確 的評(píng)估。本發(fā)明采取容量實(shí)時(shí)反饋方案，先開(kāi)啟比例閥，按設(shè)置的吸氣流量通氣，通過(guò)實(shí)時(shí) 計(jì)算通氣容量判斷關(guān)閥時(shí)機(jī)進(jìn)行關(guān)閥，開(kāi)始關(guān)閥條件為通氣容量達(dá)到設(shè)置潮氣量與預(yù)估關(guān) 閥過(guò)程流過(guò)容量的差值，即進(jìn)氣容量達(dá)到VT-CloseValveVTi開(kāi)始關(guān)閥，完成潮氣量精確控 制。
[0033] 參照?qǐng)D5所示的控制流程圖進(jìn)行容量目標(biāo)型通氣，以設(shè)置潮氣量與關(guān)閥過(guò)程流過(guò) 的容量的差值作為開(kāi)始關(guān)閉比例閥的條件，達(dá)到關(guān)閥條件時(shí)，開(kāi)始關(guān)閉比例閥可實(shí)現(xiàn)潮氣 量的更準(zhǔn)確控制。
[0034] 顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精 神和范圍。這樣，倘若對(duì)本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其同等技術(shù)的范 圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種提高潮氣量控制精度的方法，其特征在于所述方法包括如下步驟： 步驟一，分別對(duì)比例閥的開(kāi)閥過(guò)程、關(guān)閥過(guò)程建模； 步驟二，利用積分計(jì)算比例閥在開(kāi)閥過(guò)程和關(guān)閥過(guò)程的面積，評(píng)估比例閥在開(kāi)閥過(guò)程 和關(guān)閥過(guò)程中流過(guò)的容量； 步驟=，根據(jù)所述容量計(jì)算關(guān)閉比例閥條件，在容量通氣控制中，按所述條件提前開(kāi)始 關(guān)閉比例閥，對(duì)潮氣量進(jìn)行精確控制。2. 如權(quán)利要求1所述的提高潮氣量控制精度的方法，其特征在于： 所述步驟一中建模計(jì)算公式為：其中：Result刃計(jì)算后比例閥巧置流量；Last_Result為上次比例閥設(shè)置流量；Ki為積 分J竄制累驕? FiTTOT責(zé)偏葉贊公擊責(zé).其中謂纖? 胃為實(shí)際測(cè)量的流量，臀娜為設(shè)置流量。3. 如權(quán)利要求2所述的提高潮氣量控制精度的方法，其特征在于： Ki的取值范圍為(0，1)，其中小括號(hào)表示開(kāi)區(qū)間，即表示0到1，但是不包含0和1。4. 如權(quán)利要求3所述的提高潮氣量控制精度的方法，其特征在于： 所示Ki的取值范圍為(0,0.5]，其中小括號(hào)表示開(kāi)區(qū)間，方括號(hào)表示閉區(qū)間，即表示0到 0.5,包含0.5,不包含0。5. 如權(quán)利要求1所述的提高潮氣量控制精度的方法，其特征在于： 所述步驟二關(guān)閥過(guò)程流過(guò)的容量評(píng)估方法為： 關(guān)閉比例閥時(shí)，爾鱗為〇，iP費(fèi)胃.3^胃為通氣階段的流量，對(duì)應(yīng)吸氣階段設(shè)置流量 Flowinsp，每個(gè)控制周期比例閥計(jì)算一次化ror，然后計(jì)算Result作用到比例閥，計(jì)算出關(guān)閉 比例閥階段每個(gè)控制周期（T)的流量依次為：FloWinsp*( I-Ki),FloWinsp*( I-Ki)2, Fl〇Winsp*(l-Ki)3, ? ? ?，F(xiàn)l〇Winsp*(l-Ki)n;其中n的取值取決于ki的取值和流量達(dá)至IjO的 判別條件； 關(guān)閥過(guò)程中流過(guò)的容量為：其中，T為控制周期； 利用等比方程求和化簡(jiǎn)得：如此，根據(jù)積分控制比例閥算法，可W計(jì)算出不同設(shè)置流量下關(guān)閉比例閥過(guò)程中流過(guò) 的容量。6. 如權(quán)利要求1所述的提高潮氣量控制精度的方法，其特征在于： 所述步驟二開(kāi)閥過(guò)程流過(guò)的容量評(píng)估方法為： 開(kāi)閥時(shí)，計(jì)算出打開(kāi)比例閥階段每個(gè)控制周期（T)的流量依次為:Fl〇Winsp*[l-(l-Ki )l]，F(xiàn)l〇Winsp*[l-(l-Ki)2]，F(xiàn)l〇Winsp*[l-(l-Ki)3]，? ? ?，F(xiàn)l〇Winsp*[l-(l-Ki)n]，其中n的 取值取決于ki的取值和流量達(dá)到Flowinsp的判別條件； 比例閥開(kāi)啟階段的容量為：其中，T為控制周期； 化簡(jiǎn)得：如此，根據(jù)積分控制比例閥算法，可W計(jì)算出不同設(shè)置流量下開(kāi)啟比例閥過(guò)程中流過(guò) 的容量。7. 如權(quán)利要求1所述的提高潮氣量控制精度的方法，其特征在于： 根據(jù)用戶設(shè)定的潮氣量，W及開(kāi)關(guān)閥控制過(guò)程建模，對(duì)吸氣階段設(shè)置流量和吸氣時(shí)間 進(jìn)行限定。8. 如權(quán)利要求7所述的提高潮氣量控制精度的方法，其特征在于： 吸氣階段設(shè)置流量和吸氣時(shí)間需同時(shí)滿足W下條件： 設(shè)置流量 >(設(shè)置潮氣量-(開(kāi)閥容量+關(guān)閥容量））/(吸氣時(shí)間-(開(kāi)閥時(shí)間+關(guān)閥時(shí) 間））； 開(kāi)閥容量+關(guān)閥容量《設(shè)置潮氣量； 吸氣時(shí)間>開(kāi)閥時(shí)間+關(guān)閥時(shí)間。9. 如權(quán)利要求1所述的提高潮氣量控制精度的方法，其特征在于： 所述步驟=中關(guān)閉比例閥條件為，通氣容量達(dá)到設(shè)置潮氣量與預(yù)估關(guān)閥過(guò)程流過(guò)容量 的差值，即進(jìn)氣容量達(dá)到上述差值時(shí)開(kāi)始關(guān)閉比例閥。
【文檔編號(hào)】A61M16/01GK105983164SQ201610252602
【公開(kāi)日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2016年4月21日
【發(fā)明人】孟亞彬, 鐘達(dá)雄, 劉鐵柱, 黃華平
【申請(qǐng)人】廣州七喜醫(yī)療設(shè)備有限公司