氧气面罩呼吸腔压力调节半实物仿真系统

摘要

一种氧气面罩呼吸腔压力调节半实物仿真系统。半实物仿真系统中的肺式调节阀结构数学模型、呼气阀门数学模型、呼吸数学模型和面罩呼吸腔数学模型由PC机中的Matlab平台实现，分别用来描述肺式调节阀结构、呼气阀门、呼吸过程和面罩呼吸腔内的气体流量特性。半实物仿真系统中的控制系统以STM32F407IGT6微处理器为核心，用来运行控制算法。PC机与控制系统通过RS232串口进行通讯。本发明是氧气面罩呼吸腔压力调节器控制方案开发过程中对比不同控制算法效率的半实物仿真系统，具有控制算法与应用对象结构灵活、接口通用等优点，可提前发现问题并及时解决，缩短了控制方案的开发周期，节约成本。

说明书

技术领域

本发明属于航空器个人防护领域，涉及对供氧实验系统的改进，具体为氧气面罩呼吸腔压力调节半实物仿真。

背景技术

供氧系统的作用是预防高空缺氧、低气压效应引起的不良生理反应。面罩呼吸腔压力调节器是供氧系统的关键控制器，它可以随环境压力和使用者呼吸的变化，供给使用者一定压力、流量和含氧浓度的混合气或纯氧。

面罩呼吸腔内的压力变化反映了呼吸腔压力调节器的性能，吸气时，若面罩呼吸腔内负压越大使用者的吸气阻力越大，并且若面罩与使用者面部贴合不严密，外部低压空气将灌入面罩呼吸腔，造成缺氧。呼气时面罩呼吸腔内正压越大使用者的呼气阻力越大，其与使用者肺通气量、呼气阀门特性等有关。

因此，控制方案的设计是面罩呼吸腔压力调节器的关键。在控制方案开发过程中，若使用实际调试平台，当模拟肺吸气，若肺式调节阀结构不起作用，富氧空气或纯氧将不会进入面罩呼吸腔，面罩呼吸腔内将产生很大的负压，选择的差压传感器量程过小会损坏传感器，量程过大则测量误差也随之增大，造成测量不准确，降低了呼吸腔压力调节器的性能。另外，控制算法和肺式调节阀结构有很多种，每种控制算法和肺式调节阀结构都会造成呼吸腔压力调节器性能上的差异。因此，控制方案开发过程中存在成本高、开发周期长的问题。

目前普遍使用的研究方式是在PC机中利用具体供氧调试平台的数学模型来完成对呼吸腔压力调节器的设计并通过一些变量来比较不同控制算法的性能。然而纯粹的仿真实验与实际控制过程存在一定差距，算法的应用会受到一定的限制，仿真实验对于实际控制将无参考价值。

为了能在呼吸腔压力调节器控制方案开发过程中对比多种控制算法和多种肺式调节阀结构的效率，期望有一种开发周期短，节约成本，模拟实际供氧过程的实验方法及系统。

发明内容

本发明目的是克服呼吸腔压力调节器控制方案开发过程带来的上述问题，提供了一种氧气面罩呼吸腔压力调节半实物仿真系统。

本发明提供的氧气面罩呼吸腔压力调节半实物仿真系统，包括控制系统、肺式调节阀结构数学模型、呼气阀门数学模型、呼吸数学模型和面罩呼吸腔数学模型；所述的肺式调节阀结构数学模型、呼气阀门数学模型、呼吸数学模型和面罩呼吸腔数学模型由PC机中的Matlab平台实现，分别用来描述肺式调节阀结构、呼气阀门、呼吸过程和面罩呼吸腔内的气体流量特性；所述的控制系统以STM32F407IGT6微处理器为核心，用来运行控制 算法。所述的肺式调节阀结构数学模型、呼气阀门数学模型和呼吸数学模型分别连接面罩呼吸腔数学模型，PC机中的面罩呼吸腔数学模型将解算出的系统输出信号通过RS232串口传递给控制系统来解算控制信号，所述的控制系统同时将解算出的控制信号通过RS232串口传递给PC机中的肺式调节阀结构数学模型来解算系统输出。半实物仿真系统原理框图如图1所示。

所述的面罩呼吸腔数学模型具体描述为：

$P^{\prime }\left(t\right)=\frac{RT}{v\left(t\right)}[G_p\left(t\right)-G_e\left(t\right)]-\frac{Q_b\left(t\right)}{v\left(t\right)}P\left(t\right)$

其中，(·)′为对时间求导算子，P为面罩呼吸腔内气体绝对压力，R为气体常数，T为面罩呼吸腔内气体温度，G_p为肺式调节阀结构数学模型输出，G_e为呼气阀门数学模型输出，Q_b为呼吸数学模型输出，v为面罩呼吸腔与肺内的气体体积之和。

所述的肺式调节阀结构数学模型用G_p(t)＝f((u))来描述，其中，u为实施于肺式调节阀结构上的控制信号，f为u的函数，f的具体形式由应用对象中的具体肺式调节阀结构决定。

所述的呼吸数学模型具体描述为：

$Q_b\left(t\right)={\mathrm{\pi V}}_i\left(t\right)n\left(t\right)sin\left(\frac{\pi n\left(t\right)}{30}t\right)$

其中，n为肺呼吸频率，V_i为肺潮气量。

所述的呼气阀门数学模型具体描述为：

$[P\left(t\right)-P_a]\frac{{{\mathrm{\pi d}}_e}^2}{4}=K_e[L_{e0}+L_e\left(t\right)]$

$G_e\left(t\right)=\left(\begin{array}{cc}0& \frac{P_a}{P\left(t\right)}>1\\ \frac{{\mathrm{\mu \pi d}}_e{L}_e\left(t\right)P\left(t\right)}{g}\sqrt{\frac{2k_{0}g}{(k_0-1)RT}[{\left(\frac{P_a}{P\left(t\right)}\right)}^{\frac{2}{k_0}}-{\left(\frac{P_a}{P\left(t\right)}\right)}^{\frac{k_0+1}{k_0}}]}& \\ & 0.528<\frac{P_a}{P\left(t\right)}\le 1\\ \frac{{\mathrm{\mu \pi d}}_e{L}_e\left(t\right)P\left(t\right)}{g}\sqrt{\frac{k_{0}g}{RT}{\left(\frac{2}{k_0+1}\right)}^{\frac{k_0+1}{k_0-1}}}& \frac{P_a}{P\left(t\right)}\le 0.528\end{array}\right)$

其中，P_a为面罩呼吸腔外气体绝对压力，d_e为呼气阀门直径，K_e为呼气阀门中弹簧刚度，L_e0和L_e分别为呼气阀门中弹簧预压缩量和压缩量，μ为流量系数，k₀为气体绝热指数，g为重力加速度。

本发明同时提供了一种实现所述的氧气面罩呼吸腔压力调节半实物仿真系统的模拟供氧系统调试平台，该调试平台包括所述的控制系统；所述的控制系统通过控制量输出信号线与肺式调节阀结构数学模型对应的肺式调节阀结构连接，用于使肺式调节阀结构有一定开度；同时通过反馈信号线连接面罩呼吸腔数学模型对应的差压传感器；控制系统根据 差压传感器的反馈信号及压差设定值产生控制信号；电源用于为控制系统供电；参见图2；

所述的肺式调节阀结构包括：用于产生拉力的动力装置，密闭弹簧，肺式阀门板和密封圈；所述肺式阀门板和密封圈配合，用于在无电信号时通过密闭弹簧将肺式阀门板紧压在密封圈上，使阀门完全关闭；动力装置通过控制量输出信号线传送的电信号产生拉力，克服密闭弹簧的弹力，将肺式阀门板从密封圈上提起，使阀门有一定开度；稳压气源通过气路与肺式调节阀结构中密封圈的入口相连；

与所述的呼气阀门数学模型对应的呼气阀门设置在面罩上，呼气阀门与面罩之间通过弹簧设置有一个呼气阀门门板；呼气阀门用于排出模拟肺呼出的二氧化碳，面罩内外的压力差克服弹簧的作用，将呼气阀门门板打开，气体排出。

与所述的呼吸数学模型对应的是面罩内形成的呼吸腔内的吸气作用和呼气作用。

与所述的面罩呼吸腔数学模型对应的差压传感器实现数据采集过程，差压传感器设置在比例流量阀与面罩之间的气路中，面罩与气路之间同时设置有一个吸气阀，差压传感器用于测量面罩内形成的呼吸腔内外压力差。

所述的控制系统以ARM微处理器为核心，兼容性强，置入其中的控制算法可以任意更换，比如公知的PID(Proportional Integral Derivative)控制算法、ADRC(Active Disturbance Rejection Control)算法等，通过实时显示在PC机上的面罩呼吸腔压力动态曲线来验证不同控制算法的效率，缩短控制方案的开发周期。

所述的半实物仿真系统中肺式调节阀结构数学模型可以针对不同的肺式调节阀结构(比例流量阀、以步进电机为动力装置的肺式调节阀结构、以音圈电机为动力装置的肺式调节阀结构)进行更换，不影响其他部分的功能，具有应用对象结构灵活的特点。

本发明的优点和积极效果：

1)肺的呼吸作用通过PC机构建的仿真数学模型描述，肺通气量可以被设置为随时变化，以高度逼近真实的呼吸过程。

2)置入控制系统中的控制算法可以任意更换，通过实时显示在PC机上的面罩呼吸腔压力动态曲线来验证不同控制算法的效率，缩短控制方案的开发周期。

3)以肺式调节阀结构采用比例流量阀、控制算法采用ADRC算法的模拟供氧系统调试平台为例，将本发明中的肺式调节阀结构数学模型具体替换为比例流量阀数学模型，其余参数根据调试平台确定，对比面罩呼吸腔压力动态曲线，从实验结果看到，使用本发明得到的动态曲线与调试平台采样得到的动态曲线误差较小，半实物仿真结果对于调试平台的控制方案开发有一定参考价值。

附图说明

图1为面罩呼吸腔压力调节半实物仿真系统结构原理框图。

图2为半实物仿真系统所描述的实际调试平台结构示意图，

图中，1-稳压气源，2-气路，3-密封圈，4-肺式阀门板，5-密闭弹簧，6-动力装置，7-面罩，8-呼吸腔，9-呼气阀门，10-弹簧，11-呼气阀门门板，12-吸气阀，13-吸气过程，14- 呼气过程，15-模拟肺，16-差压传感器，17-反馈信号线，18-控制系统，19-电源，20-电源线(负)，21-电源线(正)，22-控制量输出信号线，23-肺式调节阀结构。

图3为以比例流量阀作为肺式调节阀结构的实际调试平台结构示意图，

图中，24-铁芯，26-螺线管，27-比例流量阀。

图4为以比例流量阀作为肺式调节阀结构，采用ADRC算法，模拟肺呼吸频率固定为20(cycle/min)时面罩呼吸腔数学模型计算和差压传感器16采集的面罩呼吸腔内压力变化对比曲线。

图5为通信过程框图。

具体实施方式：

本发明具有控制算法与应用对象结构灵活、通讯接口通用的特点。为了说明使用本发明得到的半实物仿真结果能够为具体供氧系统调试平台的控制方案开发提供一定参考价值，本示例中针对其中一种应用对象进行实验验证。示例中，应用对象为以比例流量阀为具体肺式调节阀结构的模拟供氧系统调试平台(图3)，则半实物仿真系统中肺式调节阀结构数学模型被比例流量阀数学模型代替，比例流量阀数学模型、呼气阀门数学模型和呼吸数学模型的参数根据调试平台确定，控制算法采用公知的ADRC算法，对比半实物仿真和调试平台得到的面罩呼吸腔压力动态曲线。若图2所示的肺式调节阀结构采用其他形式，如以步进电机为动力装置的肺式调节阀结构、以音圈电机为动力装置的肺式调节阀结构，使用本发明时只需将半实物仿真系统中肺式调节阀结构数学模型用具体数学模型代替即可。

一、面罩呼吸腔压力调节半实物仿真系统

结构原理框图如图1所示，它包括控制系统、肺式调节阀结构数学模型、呼气阀门数学模型、呼吸数学模型和面罩呼吸腔数学模型；所述的肺式调节阀结构数学模型、呼气阀门数学模型、呼吸数学模型和面罩呼吸腔数学模型由PC机中的Matlab平台实现，分别用来描述肺式调节阀结构、呼气阀门、呼吸过程和面罩呼吸腔内的气体流量特性；所述的控制系统以STM32F407IGT6微处理器为核心，用来运行控制算法。所述的肺式调节阀结构数学模型、呼气阀门数学模型和呼吸数学模型分别连接面罩呼吸腔数学模型，PC机中的面罩呼吸腔数学模型将解算出的系统输出信号通过RS232串口传递给控制系统来解算控制信号，所述的控制系统同时将解算出的控制信号通过RS232串口传递给PC机中的肺式调节阀结构数学模型来解算系统输出。

所述的面罩呼吸腔数学模型具体描述为：

$P^{\prime }\left(t\right)=\frac{RT}{v\left(t\right)}[G_p\left(t\right)-G_e\left(t\right)]-\frac{Q_b\left(t\right)}{v\left(t\right)}P\left(t\right)$

其中，(·)′为对时间求导算子，P为面罩呼吸腔内气体绝对压力，R＝287(J/kg*K)为气体常数，T＝293.15(K)为面罩呼吸腔内气体温度，G_p为肺式调节阀结构数学模型输出，G_e为呼气阀门数学模型输出，Q_b为呼吸数学模型输出，v为面罩呼吸腔与肺内的气体体积之 和。

肺式调节阀结构数学模型(比例流量阀数学模型)具体描述为：

${G_p}^{\prime }\left(t\right)=\frac{-1}{T_v}{G}_p\left(t\right)+\frac{a}{T_v}u\left(t\right)+\frac{b}{T_v}$

其中，比例流量阀选型为Duray DFCV33-05,u为施加到比例流量阀上的实时控制信号，T_v＝0.04为比例流量阀惯性时间常数，a＝0.0087，b＝-0.0041。

呼吸数学模型具体描述为：

$Q_b\left(t\right)={\mathrm{\pi V}}_i\left(t\right)n\left(t\right)\sin \left(\frac{\pi n\left(t\right)}{30}t\right)$

其中，n＝20(cycle/min)为肺呼吸频率，V_i＝1(L/cycle)为肺潮气量。

呼气阀门数学模型具体描述为：

$[P\left(t\right)-P_a]\frac{{{\mathrm{\pi d}}_e}^2}{4}=K_e[L_{e0}+L_e\left(t\right)]$

$G_e\left(t\right)=\left(\begin{array}{cc}0& \frac{P_a}{P\left(t\right)}>1\\ \frac{{\mathrm{\mu \pi d}}_e{L}_e\left(t\right)P\left(t\right)}{g}\sqrt{\frac{2k_{0}g}{(k_0-1)RT}[{\left(\frac{P_a}{P\left(t\right)}\right)}^{\frac{2}{k_0}}-{\left(\frac{P_a}{P\left(t\right)}\right)}^{\frac{k_0+1}{k_0}}]}& \\ & 0.528<\frac{P_a}{P\left(t\right)}\le 1\\ \frac{{\mathrm{\mu \pi d}}_e{L}_e\left(t\right)P\left(t\right)}{g}\sqrt{\frac{k_{0}g}{RT}{\left(\frac{2}{k_0+1}\right)}^{\frac{k_0+1}{k_0-1}}}& \frac{P_a}{P\left(t\right)}\le 0.528\end{array}\right)$

其中，P_a＝1.01*10⁵(P_a)为面罩呼吸腔外气体绝对压力，d_e＝2*10^-2(m)为呼气阀门直径，K_e＝15(N/m)为呼气阀门中弹簧刚度，L_e0＝1*10^-3(m)和L_e分别为呼气阀门中弹簧预压缩量和压缩量，0＜L_e＜4*10^-3(m)，μ＝0.61为流量系数，k₀＝1.4为气体绝热指数，g＝9.8(N/kg)为重力加速度。

二、模拟供氧系统调试平台

以比例流量阀作为具体肺式调节阀结构的模拟供氧系统调试平台结构示意图如图3所示。

所述的比例流量阀数学模型对应的是比例流量阀27的流量特性，呼气阀门数学模型对应的是呼气阀门9的流量特性，呼吸数学模型对应的是吸气作用13和呼气作用14，面罩呼吸腔数学模型对应的是差压传感器16的数据采集过程。

所述的控制系统18通过控制量输出信号线22与比例流量阀27连接；同时控制系统18通过反馈信号线17连接差压传感器16；控制系统18根据差压传感器16的反馈信号及压差设定值产生控制信号，并对比例流量阀27进行控制，用于使比例流量阀有一定开度；电源19用于为控制系统18供电；

所述的比例流量阀27由螺线管26、密闭弹簧5、铁芯24、密封圈3和接收控制信号 的控制量输出信号线22组成，控制量输出信号线22与螺线管26连接。所述铁芯24和密封圈3配合，用于在无电信号时通过密闭弹簧5将铁芯紧压在密封圈上，使阀门完全关闭，所述螺线管26通过控制量输出信号线22传送的电信号产生电磁力，克服密闭弹簧5的弹力，将铁芯24从密封圈3上提起，使阀门有一定开度，稳压气源1通过气路2与比例流量阀中密封圈3的入口相连。

呼气阀门9设置在面罩7上，呼气阀门9与面罩7之间通过弹簧10设置有一个呼气阀门门板11。呼气阀门用于排出模拟肺15呼出的二氧化碳，面罩内外的压力差克服弹簧作用，将呼气阀门门板打开，气体排出。

所述的差压传感器16设置在比例流量阀27与面罩7之间的气路2中，面罩与气路之间同时设置有一个吸气阀12，差压传感器用于测量面罩内形成的呼吸腔内外压力差。

三、半实物仿真过程如下：

控制系统18中预先置入设计好的ADRC算法和设定压力值0kPa，以10ms的采样周期通过RS232串口接收位于PC机的面罩呼吸腔数学模型所计算出的面罩呼吸腔内外压力差，ADRC算法根据采样到的压力差和设定压力值解算出控制量。控制系统18得到的控制信号以10ms的控制周期通过RS232串口输出至比例流量阀数学模型，从而影响面罩呼吸腔数学模型的输出，面罩呼吸腔数学模型计算出面罩呼吸腔内外压差并形成动态压力曲线，这些动态压力值模拟了差压传感器的信号采集过程，并将面罩呼吸腔内外压力差通过RS232串口传送至控制系统，供置入到控制系统中的面罩压力调节控制算法解算控制量，实现对面罩呼吸腔内压力的控制。

图4为PC机上实时显示的模拟肺潮气量为1(L/cycle)、呼吸频率固定为20(cycle/min)，以比例流量阀作为肺式调节阀结构，采用ADRC算法时，半实物仿真系统得到和差压传感器采集到的面罩呼吸腔内压力变化曲线对比。

控制系统中使用中断式进行串口通信，配置步骤如下：

a)GPIO串口复用初始化；

b)USART(串口)初始化；

c)NVIC(中断向量)初始化；

d)利用sprintf()函数将浮点型数据转换成文本后发送，将接收到的文本数据转换成浮点型参与运算；

Matlab平台中对串口的设置分为四个步骤：

(1)创建串口设备对象并设置其属性，包括串口号、波特率、奇偶校验位、停止位、缓冲区属性的设置，相应指令为：

scom＝serial('COM4','BaudRate',115200,'Parity','none','DataBits',8,'StopBits',1)；

(2)利用函数fopen(scom)打开串口设备；

(3)sprintf()函数将浮点型数据转换成文本后利用fscanf()函数实现读操作，将接收到的文本数据转换成浮点型后利用fprintf()函数进行写操作；

(4)fclose(scom)函数关闭串口设备对象，delete(scom)函数删除内存中的串口设备对 象，clear scom清除工作空间中的串口设备对象。

通过半实物仿真实验结果和实际调试平台实验结果对比可以看出，所发明的氧气面罩呼吸腔压力调节半实物仿真系统可以根据选用的应用对象结构和控制算法，逼近实际调试平台，为实际调试平台的控制方案设计提供一定的参考价值，节约成本，缩短开发周期。