一种提高潮气量控制精度的方法

摘要

本发明涉及一种提高潮气量控制精度的方法，所述方法包括如下步骤：步骤一，分别对比例阀的开阀过程、关阀过程建模；步骤二，利用积分计算比例阀在开阀过程和关阀过程的面积，评估比例阀在开阀过程和关阀过程中流过的容量；步骤三，根据所述容量计算关闭比例阀条件，在容量通气控制中，按所述条件提前开始关闭比例阀，对潮气量进行精确控制。本发明对比例阀关闭过程进行建模，根据比例阀控制算法计算出每个控制周期内流过比例阀的流量，利用积分计算出比例阀关闭阶段面积，从而可以准确评估出比例阀从一定开度到关闭过程中流过的容量，提前开始关闭比例阀，从而实现潮气量的更精确控制。

说明书

技术领域

本发明具体涉及一种提高潮气量控制精度的方法，属于呼吸机、麻醉机技术领域。

背景技术

容量目标型通气作为一种重要的通气方式，在呼吸机及麻醉机产品中均有非常普遍的应用。通过精确控制每次呼吸过程中进入病人肺内的潮气量，容量目标型通气方式可以保证病人每次呼吸的潮气量供给。为了保证潮气量控制精度，业内普遍方案是：按照设置流量持续通气，按固定周期检测流量，对流量积分，达到设定潮气量后，立即关闭吸气阀，从而实现目标潮气量的闭环控制，控制流程图如图1所示。由于比例阀本身的迟滞，关阀过程中仍会通过一定容量的气体，导致实际潮气量大于设置潮气量。

容量目标型通气，理想控制曲线表现为方波，即比例阀可以瞬间开关。如图2所示，在t₁时刻打开比例阀到目标流量Fset，持续通Fset的流量，根据容量实时反馈，在t₂时刻检测到进气容量达到设置潮气量时，关闭比例阀，理想情况下比例阀可立即关闭，此时进气容量等于设置潮气量，对应t₁->2时间段内矩形面积。

但是实际的吸气阶段流量控制并非如此，比例阀开关均需要一定的时间，这段开关时间不可忽略。故容量目标型通气下流量曲线呈现出图3所示的波形，而非图2所示的理想方波。

图3所示0-t₁为比例阀由关闭状态开启到设置流量Fset的过程，t₁->2为比例阀稳定到一定开度维持Fset的过程，t₂-t₃为比例阀由一定开度关闭的过程。

根据现有技术实现方案，当容量实时反馈检测到进气容量达到目标潮气量时，t₂时刻开始关闭比例阀，t₃时刻比例阀才会完全关闭。t₂-t₃时刻比例阀关闭过程中会有多余的流量流入，导致吸气阶段实际潮气量相对设置潮气量多出一部分，多出的这部分容量对应t₂-t₃时间段流量曲线围成的面积S₃，而设置潮气量对应的是0-t₂时间段流量曲线围成面积S₁+S₂。

发明内容

针对上述缺点，本发明通过对比例阀关闭过程中流过的容量进行准确评估，提前关闭比例阀，从而实现潮气量的更精确控制。

具体的，本发明提供一种提高潮气量控制精度的方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一，分别对比例阀的开阀过程、关阀过程建模；

步骤二，利用积分计算比例阀在开阀过程和关阀过程的面积，评估比例阀在开阀过程和关阀过程中流过的容量；

步骤三，根据所述容量计算关闭比例阀条件，在容量通气控制中，按所述条件提前开始关闭比例阀，对潮气量进行精确控制。

进一步，如上所述的提高潮气量控制精度的方法，所述步骤一中建模的计算公式为：

其中：Result为计算后比例阀设置流量；Last_Result为上次比例阀设置流量；Ki为积分控制系数；Error为偏差，Error计算公式为：

其中，为实际测量的流量，为设置流量。

进一步，如上所述的提高潮气量控制精度的方法，Ki的取值范围为（0,1），在（0,0.5]范围效果更佳。

进一步，如上所述的提高潮气量控制精度的方法，所述步骤二关阀过程流过的容量评估方法为：关闭比例阀时，为0，此时的为通气阶段的流量，对应吸气阶段设置流量Flow_insp，每个控制周期比例阀计算一次Error，然后计算Result作用到比例阀，计算出关闭比例阀阶段每个控制周期（T）的流量依次为：Flow_insp*（1-Ki），Flow_insp*（1-Ki）²,>insp*（1-Ki）³,···，Flow_insp*（1-Ki）ⁿ；

关阀过程中流过的容量为：

其中，T为控制周期；

利用等比方程求和化简得：

如此，根据积分控制比例阀算法，可以计算出不同设置流量下关闭比例阀过程中流过的容量。

进一步，如上所述的提高潮气量控制精度的方法，所述步骤二开阀过程流过的容量评估方法为：开阀时，计算出打开比例阀阶段每个控制周期（T）的流量依次为：Flow_insp*[1-(1-Ki)¹]，Flow_insp*[1-(1-Ki)²]，Flow_insp*[1-(1-Ki)³]，···，Flow_insp*[1-(1-Ki)ⁿ]，

比例阀开启阶段的容量为：

化简得：

如此，根据积分控制比例阀算法，可以计算出不同设置流量下开启比例阀过程中流过的容量。

进一步，如上所述的提高潮气量控制精度的方法，根据用户设定的潮气量，以及开关阀控制过程建模，对吸气阶段设置流量和吸气时间进行限定。

进一步，如上所述的提高潮气量控制精度的方法，吸气阶段设置流量和吸气时间需同时满足以下条件：

设置流量≥（设置潮气量-(开阀容量+关阀容量)）/(吸气时间-(开阀时间+关阀时间))；

开阀容量+关阀容量≤设置潮气量；

吸气时间≥开阀时间+关阀时间。

进一步，如上所述的提高潮气量控制精度的方法，所述步骤三中关闭比例阀条件为，通气容量达到设置潮气量与预估关阀过程流过容量的差值，即进气容量达到上述差值时开始关闭比例阀。

本发明对比例阀关闭过程进行建模，根据比例阀控制算法计算出每个控制周期内流过比例阀的流量，利用积分计算出t₂-t₃阶段面积S₃，从而可以准确评估出比例阀从一定开度到关闭过程中流过的容量，以设置潮气量与该关阀容量的差值作为开始关闭比例阀的条件，对潮气量进行精确控制。

附图说明

图1为传统容量目标型通气控制流程图；

图2为容量控制通气吸气阶段流量变化理想情况示意图；

图3为容量控制通气吸气阶段流量变化实际情况示意图；

图4为通过积分评估关阀过程中流过的容量示意图；

图5为本发明容量目标型通气控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

首先对吸气阶段整个流量控制波形进行评估，根据用户设定的吸气时间Ti和潮气量VT，判断吸气阶段设置流量Flow_insp是否合理。

在比例阀可以瞬间开关的理想情况下，吸气流量Flow_insp只要满足：

即可保证能够在设定吸气时间Ti内输送VT的潮气量。

但是，由于比例阀存在一定的开关时间，故Flow_insp在设置时需要对开关时间进行考虑。

分别对开阀过程（0-t1）、关阀过程（t2-t3）建模，评估比例阀开关过程用时及流过的容量。

以积分控制为例，对建模方案进行详细阐述。积分控制比例阀的计算公式为：

其中：

Result为计算后比例阀设置流量；

Last_Result为上次比例阀设置流量；

Ki为积分控制系数，本实施实例以Ki=0.5为例完成下面的计算；

Error为偏差，Error计算公式为：

为实际测量的流量，为设置流量；

根据比例阀关闭过程，准确评估出t2-t3时间段内流入的容量。

根据比例阀控制算法，可获得比例阀关闭过程中每个控制周期比例阀流过的流量，对该流量进行积分，如图4所示，即可准确计算出比例阀关闭过程中流过的容量，对应t2-t3阶段流量曲线围成面积。

参照积分控制比例阀算法，关闭比例阀时，为0，而此时的为通气阶段的流量，对应吸气阶段设置流量Flow_insp，每个控制周期（T）比例阀会计算一次Error，然后计算Result作用到比例阀，可计算出关闭比例阀阶段每个控制周期（T）的流量依次为：Flow_insp*（1-Ki），Flow_insp*（1-Ki）²,>insp*（1-Ki）³,···，Flow_insp*（1-Ki）ⁿ,

对于n的取值，本实施实例以当时认为比例阀已关闭到零流量，即，由Ki=0.5可求得n=10。如果认为比例阀已关闭到零流量的判别条件改变时，n的取值可能会随之变化。n*T为关阀时间，n=10时，关阀时间为10*T。

关阀过程中流过的容量为：

利用等比方程求和化简得：

由（1-Ki）ⁿ⁺¹=>11≈0，则：

根据积分控制比例阀算法，可以计算出不同设置流量下关闭比例阀过程中流过的容量CloseValveVTi。

参照关阀过程，对于开阀过程，计算出打开比例阀阶段每个控制周期（T）的流量依次为：Flow_insp*[1-(1-Ki)¹]，Flow_insp*[1-(1-Ki)²]，Flow_insp*[1-(1-Ki)³]，···，Flow_insp*[1-(1-Ki)ⁿ]，

对于n的取值，本实施实例以当时，认为比例阀已开启到设置流量Flow_insp，即，由Ki=0.5可求得n=10。如果认为比例阀已开启到设置流量Flow_insp的判别条件改变时，n的取值可能会随之变化。n*T为开阀时间，n=10时，开阀时间为10*T。

可求得比例阀开启阶段的容量为：

化简得：

根据积分控制比例阀算法，可以计算出不同设置流量下开启比例阀过程中流过的容量OpenValveVTi。

需满足以下关系，才能保证设置吸气时间Ti内进气容量达到VT：

即：

另外设置流量还要满足

即本实施实例中需满足：

由此完成对Flow_insp的限定:

其中Ti需大于等于20*T。

以上计算均在Ki=0.5，判断完成关阀条件为，

判断完成开阀条件为

，基础上完成。如果Ki及完成开关阀条件改变，以上计算数值也会有所变化。

根据用户设定的吸气时间Ti和潮气量VT，利用积分控制系数Ki及控制周期T，可对吸气阶段设置流量Flow_insp进行限定，避免Flow_insp较小导致进气容量无法在Ti时间内达到VT，或Flow_insp太大而使潮气量大于设置潮气量，用户设置吸气流量Flow_insp需限定在上述计算范围内。

完成吸气流量限定后，参考以上吸气阶段过程的建模，可对关阀时机进行更准确的评估。本发明采取容量实时反馈方案，先开启比例阀，按设置的吸气流量通气，通过实时计算通气容量判断关阀时机进行关阀，开始关阀条件为通气容量达到设置潮气量与预估关阀过程流过容量的差值，即进气容量达到VT-CloseValveVTi开始关阀，完成潮气量精确控制。

参照图5所示的控制流程图进行容量目标型通气，以设置潮气量与关阀过程流过的容量的差值作为开始关闭比例阀的条件，达到关阀条件时，开始关闭比例阀可实现潮气量的更准确控制。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。