CN105031788B - 呼吸机调压***及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种呼吸机调压***的控制方法及***，该方法步骤如下：运算***接收一输入电压，压力传感器采集涡轮风机的输出压力，并将数据反馈至运算***，运算***进行运算处理后输出电机控制电压至控制***，控制***根据电机控制电压控制涡轮风机的转速，以控制涡轮风机的输出压力。本发明采用涡轮风机输出的空气压力为反馈的闭环控制，不产生类似PID控制的积分累积，电机响应迅速，极大地提高了呼吸机的响应时间和舒适性。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械领域，特别是涉及一种呼吸机调压***及控制方法。
背景技术
在现代临床医学中，呼吸机作为一项能人工替代自主通气功能的有效手段，已普遍用于各种原因所致的呼吸衰竭、大手术期间的麻醉呼吸管理、呼吸支持治疗和急救复苏中，在现代医学领域内占有十分重要的位置。呼吸机是一种能够起到预防和治疗呼吸衰竭，减少并发症，挽救及延长病人生命的至关重要的医疗设备。
呼吸机是一种以输出一定压力或流速的空气为目的的，辅助呼吸功能不全或因特殊情况无法自主呼吸的患者呼吸的医疗器械。以电机为动力的涡轮风机是呼吸机为主要部件，因此电机控制***是整个呼吸机***最为关键的***之一。在呼吸机的控制***中，电机的控制通常采用以涡轮输出压力或者电机转速为负反馈的闭环控制，PID控制是该类型控制最常用的控制方法。软件PID控制技术是一种闭环控制，通常以涡轮风机的转速，输出空气压力或流量为负反馈，然而，由于电机转动惯性以及空气的弹性等特征，反馈信号的输出存在较长的延时，容易造成PID积分项的累积，从而引起电机转速振荡，影响输出的稳定性，若降低PID的采样频率，则影响电机***的响应时间，进而影响患者的舒适度。采用PID控制技术的缺点：1、涡轮风机输出反馈量的延时，造成PID算法易产生压力，流速波动，从而降低呼吸机的舒适度；2、应用软件PID算法，占用较高的***的资源用于数据采集与计算，且受A/D转换的影响错误率高，稳定性差，反应速度慢。
专利号为CN201310683803.7，一种双水平呼吸机压力控制装置及压力控制方法，其中一种双水平呼吸机压力控制装置，包括：涡轮风机：用于产生压缩空气；涡轮风机驱动控制器：用于驱动所述涡轮风机，所述涡轮风机驱动控制器包括伺服控制器，所述伺服控制器是由前馈控制器和反馈控制器复合控制的闭环***；传感器：用于实时检测患者气道的实际压力；气路：由软管连接形成，所述涡轮风机通过软管与鼻面罩相连并形成气路，所述传感器和所述涡轮风机驱动控制器之间以及所述涡轮风机驱动控制器和涡轮风机之间通过电线连接，所述传感器还与所述软管连通。在该专利的技术方案中所述涡轮风机驱动控制器采用PID算法实现对涡轮风机的第一输出压力和最终输出压力的实时调节。因此该专利仍采用了PID算法来实现呼吸机压力的调节，仍没有摆脱上述指出的PID算法的缺陷。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术的不足，提供一种呼吸机调压***，本发明采用涡轮风机的输出压力为反馈的闭环控制，不产生类似PID控制的积分累积，电机响应迅速，极大地提高了呼吸机的响应时间和舒适性。
为了实现上述目的，本发明提供了一种呼吸机调压***，包括供电***、运算***、控制***、压力传感器和涡轮风机；所述供电***分别与所述运算***、控制***、压力传感器和涡轮风机相电连；所述运算***、控制***和涡轮风机依次相连接；所述压力传感器设置在所述涡轮风机的出风口处，所述压力传感器与所述运算***相连接；
所述运算***输入端接收一输入电压V，所述输入电压V对应一输入压力P；所述压力传感器采集所述涡轮风机的输出压力P0后，输出电压V1并反馈至所述运算***；所述运算***接收所述压力传感器的输出电压V1，通过所述运算***运算处理后输出电机控制电压Vout；所述控制***输入端接收所述电机控制电压Vout，经所述控制***检测处理后，所述控制***输出端输出电机转速控制信号至所述涡轮风机，通过所述电机转速控制信号控制所述涡轮风机的转速，以调节所述涡轮风机的输出压力P0。
进一步的，所述运算***包括接收单元、还原单元和运算单元，所述接收单元接收所述压力传感器的输出电压V1，所述接收单元对输出电压V1进行处理后输出电压V1＇至所述还原单元；所述还原单元将输出电压V1＇随所述涡轮风机的输出压力P0的变化率还原成与电机控制电压Vout随所述涡轮风机的输出压力P0的变化率相一致的信号，所述还原单元还原后得到输出电压V4，并将输出电压V4输送至所述运算单元；所述运算单元接收输入电压V，并对输入电压V进行放大处理后，得到输出电压V5，所述运算单元对输出电压V5和输出电压V4以及偏移电压Vm_min作加减法运算处理后，输出电机控制电压Vout。
进一步的，所述还原单元包括还原单元一、还原单元二和还原单元三，所述还原单元一修正输出电压V1＇，并输出电压V2至所述还原单元二，所述还原单元二对输出电压V2作缩放处理后输出电压V3至所述还原单元三，所述还原单元三将所述输出电压V3随所述涡轮风机的输出压力P0的变化率还原成与所述电机控制电压Vout随所述涡轮风机的输出压力P0的变化率相一致的信号，还原后输出电压V4。
进一步的，所述运算单元包括运算单元一和运算单元二，所述运算单元一对输入电压V进行放大处理后输出电压V5，所述运算单元二对输出电压V5和输出电压V4以及偏移电压Vm_min作加减法运算处理后，输出所述电机控制电压Vout。
本发明的呼吸机调压***的控制方法，包括如下步骤：
(1)运算***输入端接收一输入电压V，所述输入电压V对应一输入压力P；
(2)压力传感器采集涡轮风机的输出压力P0，且所述压力传感器对应输出电压V1并反馈至所述运算***；
(3)运算***的接收单元接收所述压力传感器的输出电压V1，所述接收单元对所述输出电压V1进行处理后输出电压V1＇至所述运算***的还原单元；
(4)所述还原单元将输出电压V1＇随所述涡轮风机的输出压力P0的变化率还原成与电机控制电压Vout随所述涡轮风机的输出压力P0的变化率相一致的信号，经所述还原单元还原后得到输出电压V4，并将所述输出电压V4输送至所述运算***的运算单元；
(5)所述运算单元接收所述输入电压V，且所述运算单元对所述输入电压V进入放大处理后，得到输出电压V5，所述运算单元再对所述输出电压V5和所述输出电压V4以及偏移电压Vm_min作加减法运算处理后，输出电机控制电压Vout；
(6)所述控制***输入端接收所述电机控制电压Vout，经所述控制***检测处理后，所述控制***输出端输出电机转速控制信号至所述涡轮风机；
(7)所述涡轮风机根据所述电机转速控制信号，控制所述涡轮风机的转速，以控制所述涡轮风机的输出压力P0。
当所述涡轮风机的输出压力P0不等于输入压力P时，所述运算***根据所述压力传感器反馈的输出电压V1，调节输出的电机控制电压Vout的电压值，来调节所述控制***输出的电机转速控制信号，以改变所述涡轮风机的转速从而改变所述涡轮风机的输出压力P0，直到输出压力P0等于输入压力P；
当所述涡轮风机的输出压力P0等于输入压力P时，所述运算***输出的电机控制电压Vout的电压值为固定值，所述涡轮风机的转速不变。
进一步的，在步骤(3)中，所述接收单元对输出电压V1进行处理的具体操作为：
压力传感器的输出电压V1与输出压力P0之间构成的曲线为压力传感器输出曲线，假设其表达式为：V1＝V1(P0)，且0≤P0≤Pmax，Vs-min≤V1≤Vs-max，其中斜率为K1；所述接收单元主要对压力传感器输出曲线V1＝V1(P0)进行滤波和限幅处理，滤除压力传感器输出曲线V1＝V1(P0)中的干扰分量，滤除干扰分量后所述接收单元输出电压V1＇。
进一步的，在步骤(4)中，所述还原单元还原后得到的输出电压V4随所述涡轮风机的输出压力P0的变化率与电机控制电压Vout随所述涡轮风机的输出压力P0的变化率相一致。
进一步的，在步骤(4)中，所述还原单元包括还原单元一、还原单元二和还原单元三，所述还原单元将输出电压V1＇随所述涡轮风机的输出压力P0的变化率还原成与电机控制电压Vout随所述涡轮风机的输出压力P0的变化率相一致的信号，还原步骤具体为：
还原单元接收的输出电压V1＇与输出压力P0之间构成的曲线为输出电压V1＇控制曲线，假设其表达式为：V1＇＝V1＇(P0)，且0≤P0≤Pmax，Vs-min≤V1＇≤Vs-max，其中斜率为K1；运算单元输出的电机控制电压Vout与输出压力P0之间构成的曲线为电机控制曲线，假设其表达式为Vout＝Vout(P0)，且0≤P0≤Pmax，Vm-min≤Vout≤Vm-max，其中斜率为Kout；
(1)还原单元一：修正输出电压V1＇控制曲线，修正量ΔE为输出压力为零时对应的输出电压，得到输出电压V2控制曲线，则V2＝V1＇(P0)-ΔE，令V2＝V2(P0)，且0≤P0≤Pmax，0≤V2≤Vs-max-Vs-min，其中斜率为K1，ΔE＝Vs-min；
(2)还原单元二：对输出电压V2控制曲线，作进一步地缩放处理，得到输出电压V3控制曲线，其中缩放系数为Vd-max/(Vs-max-Vs-min)，则V3＝V2*Vd-max/(Vs-max-Vs-min)，令V3＝V3(P0)，且0≤P0≤Pmax，0≤V3≤Vd-max，其中斜率为K1*Vd-max/(Vs-max-Vs-min)，所述还原单元二得到输出电压V3后，通过A/D模块转化后再输送至所述还原单元三，其中Vd_max即为A/D模块的参考电压；
(3)还原单元三：将输出电压V3控制曲线的变化率还原成与电机控制曲线的变化率相一致，得到输出电压V4控制曲线，则V4＝V3*Kout/K3，令V4＝V4(P0)，且0≤P0≤Pmax，0≤V4≤Vm-max，其中斜率为K4，输出电压V4控制曲线经变化率还原后，得到K4＝Kout，因此在变化率还原的过程中，还原变换的系数为
进一步的，在步骤(5)中，所述运算单元包括运算单元一和运算单元二，所述运算单元对所述输入电压V进行放大处理，得到输出电压V5，再对所述输出电压V5和输出电压V4以及偏移电压Vm_min作加减法运算处理后，输出所述电机控制电压Vout，具体操作为：
所述输入电压V与所述输入压力P之间构成的曲线为输入电压V控制曲线，假设其表达式为：V＝V(P)，且0≤P≤Pmax，0≤V≤Va-max，其中斜率为K；所述运算单元输出的电机控制电压Vout与所述输出压力P0之间构成的曲线为电机控制曲线，假设其表达式为Vout＝Vout(P0)，且0≤P0≤Pmax，Vm-min≤Vout≤Vm-max，其中斜率为Kout；
(1)运算单元一：对输入电压V控制曲线进行放大处理，其中倍乘系数为Q(K)，且得到输出电压V5控制曲线，则V5＝V(P)*Q(K)，且0≤P≤Pmax，0≤V5≤Va-max*Q(K)；
(2)运算单元二：作加减法运算处理：
Vout＝V5(P)-V4(P0)+Vm-min。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明采用涡轮风机的输出压为反馈的闭环控制，不产生类似PID控制的积分累积，电机响应迅速，极大地提高了呼吸机的响应时间和舒适性。
2、本发明以“控制压力＝2*输入压力–实际输出压力”进行配置配件电路，实现了电机的控制，且硬件电路计算无时间延时，快速又稳定，同时运算***在运算非常迅速，运算误差极小。
3、当呼吸机因漏气量过大造成压力降低时，本发明的硬件电路可自动进行补偿操作；若呼吸机的漏气量超出该电路的补偿范围时，则可执行对输入压力进行补偿调节的操作，以保证在任何情况下，涡轮风机输出稳定的压力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明***的结构框图；
图2为本发明运算***的结构框图。
上述附图标记：
1供电***，2运算***，3控制***，4涡轮风机，5压力传感器
21接收单元，22还原单元，221还原单元一，222还原单元二，223还原单元三，23运算单元，231运算单元一，232运算单元。
具体实施方式
下面结合附图对发明进一步说明，但不用来限制本发明的范围。
实施例
如图1、2所示，本发明提供的一种呼吸机调压***，包括供电***1、运算***2、控制***3、压力传感器5和涡轮风机4；所述供电***1分别与所述运算***2、控制***3、压力传感器5和涡轮风机4相电连；所述运算***2、控制***3和涡轮风机4依次相连接；所述压力传感器5设置在所述涡轮风机4的出风口处，所述压力传感器5与所述运算***2相连接；
所述运算***2输入端接收一输入电压V，所述输入电压V对应一输入压力P；所述压力传感器5采集所述涡轮风机4的输出压力P0后，输出电压V1并反馈至所述运算***2；所述运算***2接收所述压力传感器5的输出电压V1，通过所述运算***2运算处理后输出电机控制电压Vout；所述控制***3输入端接收所述电机控制电压Vout，经所述控制***3检测处理后，所述控制***3输出端输出电机转速控制信号至所述涡轮风机4，通过所述电机转速控制信号控制所述涡轮风机4的转速，以调节所述涡轮风机4的输出压力P0。
本发明进一步的，所述运算***2包括接收单元21、还原单元22和运算单元23，所述接收单元21接收所述压力传感器5的输出电压V1，所述接收单元21对输出电压V1进行处理后输出电压V1＇至所述还原单元22；所述还原单元22将输出电压V1＇随所述涡轮风机4的输出压力P0的变化率还原成与电机控制电压Vout随所述涡轮风机4的输出压力P0的变化率相一致的信号，所述还原单元22还原后得到输出电压V4，并将输出电压V4输送至所述运算单元23；所述运算单元23接收输入电压V，并对输入电压V进行放大处理后，得到输出电压V5，所述运算单元23对输出电压V5和输出电压V4以及偏移电压Vm_min作加减法运算处理后，输出电机控制电压Vout。
更进一步的，所述还原单元22包括还原单元一221、还原单元二222和还原单元三223，所述还原单元一221修正输出电压V1＇，并输出电压V2至所述还原单元二222，所述还原单元二222对输出电压V2作缩放处理后输出电压V3至所述还原单元三223，所述还原单元三223将所述输出电压V3随所述涡轮风机4的输出压力P0的变化率还原成与所述电机控制电压Vout随所述涡轮风机4的输出压力P0的变化率相一致的信号，还原后输出电压V4。
更进一步的，所述运算单元23包括运算单元一231和运算单元二232，所述运算单元一231对输入电压V进行放大处理后输出电压V5，所述运算单元二232对输出电压V5和输出电压V4以及偏移电压Vm_min作加减法运算处理后，输出所述电机控制电压Vout。
控制***3包括电机控制器，电机控制器接收运算***2输出的电机控制电压Vout后，检测电机运行状态，检测正常后输出电机转速控制信号至涡轮风机4，控制涡轮风机4的转速。控制***3还包括驱动电路和***附属器件，电机控制器是控制电机运转的核心部件，其工作原理为接收电机控制电压Vout，检测电机运行状态，输出电机转速控制信号，常见的电机控制器可由专用电机控制器实现，比如：ML4425，MC33035，也可由单片机时间，驱动电路包括驱动芯片，组成的整流桥以及附属电路，***附属电路包括控制***3的电源电路，电流检测电路，保护电路，转速计算电路等等。
本发明的呼吸机调压***的控制方法，包括如下步骤：
(1)运算***2输入端接收一输入电压V，所述输入电压V对应一输入压力P；
(2)压力传感器5采集涡轮风机4的输出压力P0，且所述压力传感器5对应输出电压V1并反馈至所述运算***2；
(3)运算***2的接收单元21接收所述压力传感器5的输出电压V1，所述接收单元21对所述输出电压V1进行处理后输出电压V1＇至所述运算***2的还原单元22；
(4)所述还原单元22将输出电压V1＇随所述涡轮风机4的输出压力P0的变化率还原成与电机控制电压Vout随所述涡轮风机4的输出压力P0的变化率相一致的信号，经所述还原单元22还原后得到输出电压V4，并将所述输出电压V4输送至所述运算***2的运算单元23；
(5)所述运算单元23接收所述输入电压V，且所述运算单元23对所述输入电压V进入放大处理后，得到输出电压V5，所述运算单元23再对所述输出电压V5和所述输出电压V4以及偏移电压Vm_min作加减法运算处理后，输出电机控制电压Vout；
(6)所述控制***3输入端接收所述电机控制电压Vout，经所述控制***3检测处理后，所述控制***3输出端输出电机转速控制信号至所述涡轮风机4；
(7)所述涡轮风机4根据所述电机转速控制信号，控制所述涡轮风机4的转速，以控制所述涡轮风机4的输出压力P0。
本发明的调节原理：当所述涡轮风机4的输出压力P0不等于输入压力P时，所述运算***2根据所述压力传感器5反馈的输出电压V1，调节输出的电机控制电压Vout的电压值，来调节所述控制***3输出的电机转速控制信号，以改变所述涡轮风机4的转速从而改变所述涡轮风机4的输出压力P0，直到输出压力P0等于输入压力P。
当所述涡轮风机4的输出压力P0等于输入压力P时，所述运算***2输出的电机控制电压Vout的电压值为固定值，所述涡轮风机4的转速不变。
当本发明的***启动时，涡轮风机4的输出压力P0从0开始增大至接近输入压力P，此时涡轮风机4的输出压力P0不等于输入压力P，通过压力传感器5采集涡轮风机4的输出压力P0，并反馈输出电压V1至运算***2，运算***2根据压力传感器5反馈的输出电压V1，调节输出的电机控制电压Vout的电压值，来调节控制***3输出的电机转速控制信号，以改变涡轮风机4的转速从而改变涡轮风机4的输出压力P0，直到输出压力P0等于输入压力P。
在步骤(3)中，接收单元21对输出电压V1进行处理的具体操作为：
压力传感器5的输出电压V1与输出压力P0之间构成的曲线为压力传感器输出曲线，假设其表达式为：V1＝V1(P0)，且0≤P0≤Pmax，Vs-min≤V1≤Vs-max，其中斜率为K1；所述接收单元21主要对压力传感器输出曲线V1＝V1(P0)进行滤波和限幅处理，滤除压力传感器输出曲线V1＝V1(P0)中的干扰分量，滤除干扰分量后所述接收单元输出电压V1＇。
在步骤(4)中，还原单元22包括还原单元一221、还原单元二222和还原单元三223，还原单元22将输出电压V1＇随所述涡轮风机4的输出压力P0的变化率还原成与电机控制电压Vout随所述涡轮风机4的输出压力P0的变化率相一致的信号，还原步骤具体为：
还原单元22接收的输出电压V1＇与输出压力P0之间构成的曲线为输出电压V1＇控制曲线，假设其表达式为：V1＇＝V1＇(P0)，且0≤P0≤Pmax，Vs-min≤V1＇≤Vs-max，其中斜率为K1；运算单元23输出的电机控制电压Vout与输出压力P0之间构成的曲线为电机控制曲线，假设其表达式为Vout＝Vout(P0)，且0≤P0≤Pmax，Vm-min≤Vout≤Vm-max，其中斜率为Kout；
(1)还原单元一221：修正输出电压V1＇控制曲线，修正量ΔE为输出压力为零时对应的输出电压，得到输出电压V2控制曲线，则V2＝V1＇(P0)-ΔE，令V2＝V2(P0)，且0≤P0≤Pmax，0≤V2≤Vs-max-Vs-min，其中斜率为K1，ΔE＝Vs-min；
(2)还原单元二222：对输出电压V2控制曲线，作进一步地缩放处理，得到输出电压V3控制曲线，其中缩放系数为Vd-max/(Vs-max-Vs-min)，则V3＝V2*Vd-max/(Vs-max-Vs-min)，令V3＝V3(P0)，且0≤P0≤Pmax，0≤V3≤Vd-max，其中斜率为K1*Vd-max/(Vs-max-Vs-min)，所述还原单元二222得到输出电压V3后，通过A/D模块转化后再输送至所述还原单元三223，其中Vd_max即为A/D模块的参考电压；
(3)还原单元三223：将输出电压V3控制曲线的变化率还原成与电机控制曲线的变化率相一致，得到输出电压V4控制曲线，则V4＝V3*Kout/K3，令V4＝V4(P0)，且0≤P0≤Pmax，0≤V4≤Vm-max，其中斜率为K4，输出电压V4控制曲线经变化率还原后，得到K4＝Kout，因此在变化率还原的过程中，还原变换的系数为
在步骤(5)中，所述运算单元23包括运算单元一231和运算单元二232，所述运算单元对所述输入电压V进行放大处理，得到输出电压V5，再对所述输出电压V5和输出电压V4以及偏移电压Vm_min作加减法运算处理后，输出所述电机控制电压Vout，具体操作为：
所述输入电压V与所述输入压力P之间构成的曲线为输入电压V控制曲线，假设其表达式为：V＝V(P)，且0≤P≤Pmax，0≤V≤Va-max，其中斜率为K；所述运算单元输出的电机控制电压Vout与所述输出压力P0之间构成的曲线为电机控制曲线，假设其表达式为Vout＝Vout(P0)，且0≤P0≤Pmax，Vm-min≤Vout≤Vm-max，其中斜率为Kout；
(1)运算单元一231：对输入电压V控制曲线进行放大处理，其中倍乘系数为Q(K)，且得到输出电压V5控制曲线，则V5＝V(P)*Q(K)，且0≤P≤Pmax，0≤V5≤Va-max*Q(K)；
(2)运算单元二232：作加减法运算处理：
Vout＝V5(P)-V4(P0)+Vm-min。
在步骤(1)中，运算***2接收的输入电压V是本发明呼吸机调压***外的***部件的输出电压，***部件的输出电压来自包括D/A模块对应引脚的输出电压，其中Va-max为D/A模块的参考电压。***部件的输出电压也可来自其他硬件单元的输出电压。
本发明的压力传感器5优选地，采用线性良好的元件，因此本发明得到的压力传感器5的输出电压V1与涡轮风机4的输出压力P0构成的压力传感器输出曲线V1＝V1(P0)，其为一次曲线，即压力传感器5的输出电压V1与涡轮风机4的输出压力P0之间成线性变化。经接收单元21处理后得到的输出电压V1＇控制曲线，且经还原单元22还原得到的输出电压V2控制曲线、输出电压V3控制曲线、输出电压V4控制曲线，经运算单元23运算处理后得到的电机控制电压Vout与涡轮风机4的输出压力P0之间构成的电机控制曲线Vout＝Vout(P0)，以上均为一次曲线。同样运算***2接收的输入电压V与输入压力P之间构成的输入电压V控制曲线，其也为一次曲线。由于以上曲线均为一次曲线，因此以上曲线中的电压与压力之间成线性变化关系。
为清楚地说明本发明运算***2、控制***3、压力传感器5之间电压发生的线性变化关系，结合相关数据说明：当输入控制***3的电机控制电压Vout的电压值由1V线性增加到2V时，对应涡轮风机4的输出压力P0，若从10cmH2O线性升压到20cmH2O，那么，压力传感器5反馈的输出电压V1也应当对应地输出1V的线性电压差，例如：假设压力传感器5在10cmH2O反馈1.2V，那么在20cmH2O时应反馈2.2V电压。
总结上述所得，本发明控制方法的配置目的是：控制压力＝2*输入压力–实际输出压力，假设：运算***2接收的输入压力P为5cmH2O时，如果此时涡轮风机4的输出压力P0，即实际输出压力为3cmH2O，那么运算***2输出的电机控制电压Vout，对应的控制压力，因为7cmH2O，即2*5-3＝7，此时通过增大运算***2输出的控制压力，使得涡轮风机4的输出压力P0加速升压到5cmH2O，此时输入压力P与涡轮风机4的输出压力P0的压力值相等，对应此时的控制压力5cmH2O，即2*5-5＝5。利用“控制压力＝2*输入压力–实际输出压力”这一固定公式，即可实现本发明的涡轮风机4的控制，且本发明呼吸机调压***中硬件电路计算时，无时间延时，快速且稳定。
下面详细介绍本发明运算***2的推倒原理：以下推倒原理中运用的英文符，只是为了便于说明本发明运算***2的推倒原理，只适用于此部分，不适用于说明书中其他部分：
一、运算***2中的接收单元21、还原单元22、运算单元23的数学原理为：
1、输入电压V控制曲线：V＝V(P)，其中P为输入压力，V为输入电压。
2、接收单元21接收压力传感器5反馈：V1＝V1(P)，其中P为压力值，V1为压力传感器5的输出电压；
3、还原单元22还原变换：将V1＝V1(P)，变换为V＝F(K)*(V1(P)-△E)，其中F(K)为还原变换系数，△E为修正量，即为压力传感器5输出电压的优化量；
4、运算单元23数学运算公式：Vout(P)＝Q(K)*V(P)–F(K)*V1(P)，其中Q(k)为倍乘系数。
二、还原单元22的还原变换系数F(K)的推倒原理为：
输入电压V控制曲线的线性系数及截距为(K，B)，压力传感器输出曲线的线性系数及截距为(K1，B1)，应用还原单元2.2中的倍乘电路计算，其中倍数为ξ，将压力传感器输出曲线与输入电压V控制曲线还原为一致的线性系数，即K＝ξ·K1，同理，截距为ξ·B1，此时，ξ·B1通常不等于B；应用还原电路中加减运算(加减量为△B1)还原截距系数，使得压力传感器输出曲线的截距为B＝0，此时，令压力传感器输出曲线的变化率与电机控制曲线的变化率相同。
1、还原单元22的具体推倒步骤如下：
在呼吸机压力范围内，压力传感器5的输出电压范围为(Vs_min～Vs_max)(1)
为了便于数据处理，(1)式做减法处理，即：(1)-Vs_min＝(0～Vs_max-Vs_min)(2)
假设MCU(微控制单元)的A/D模块的分辨率为n位，(注：A/D模块的分辨率：它表明A/D对模拟信号的分辨能力，由它确定能被A/D辨别的最小模拟量变化，一般来说，A/D模块的位数越多，其分辨率则越高。)对应分辨率的最大值2^n＝Dmax，其中最大值Dmax对应的输出电压为Vmax；
将压力传感器输出曲线V1＝V1(P)(3)
按照式(1)(2)方式处理，即得：V1’＝(V1(P)-Vs_min)*(Vmax/Vs_min)(4)
整理(4)式，得：V1’＝Vmax/Vs_min*V1(P)-Vmax；
由V1＝V1(P)的线性系数和截距为K1，B1，则V1’＝V1’(P)的线性系数和截距为K1*Vmax/Vs_min，(B1-Vs_min)*(Vmax/Vs_min)。
将V1’用V2表示，K2＝K1*Vmax/Vs_min，B2＝(B1-Vs_min)*(Vmax/Vs_min)(5)
因此，优化后的压力传感器输出曲线为V2＝V2(P)，斜率为K2，截距为B2(6)。
其中，(6)式的硬件输出可由MCU的A/D模块采集，呼吸机的输出压力值。
由输入电压V控制曲线为V＝V(P)，斜率为K，截距为B。(7)
将(6)式斜率应用硬件电路变换为(7)，即：令新变量A＝K/K2。
令V2＝V2(P)输出曲线乘以A，即V2*A得V2＝V2(P)*A(8)，其斜率为K2*A，截距为B2*A。
此时B2*A≠B，应用硬件加减法电路，即(8)-B2*A(9)。
令(9)式V2＝V2(P)*A+0，即V3＝V3(P)，其斜率为K3，截距为0(10)
此时K3＝K，截距为0，还原变换后压力传感器5的输出电压范围为(0～Vc_max)。
经过变换后的压力传感器输出曲线与电机控制曲线具有相同的变化率。
以本专利的呼吸机项目为例：
V(P)＝0.0556*P+2.024(电机控制曲线)
V1＝V1(P)＝0.0953*P+1.16(压力传感器输出曲线)
应用上述还原步骤得A＝0.0556/0.0953＝0.58，
B2*A＝(B1-Vs_min)*(Vmax/Vs_min)＝(1.16–1.16)*(Vmax/Vs_min)＝0；
三、运算单元23的原理为：
运算单元23将还原单元22的输出电压与输入电压，按照Vout(P)＝Q(K)*V(P)–F(K)*V1(P)的关系式搭建两级硬件运算电路，应用比例电路和减法电路实现，为了优化电路的结构，通常将还原单元22中的减法电路在该电路中计算，即在第二级的减法电路中，加入压力传感器输出曲线变换后的△B值。
1、运算单元23的具体推倒原理如下：
由(7)式，假设电机的控制输入电压范围为(Vm_min～Vm_max)(11)。
为优化MCU的D/A模块输出，应用减法器在控制***2的电机控制器的前端减去Vm_min，既得涡轮风机4的控制输入电压范围为(0～Vm_max-Vm_min)(12)。
由(5)式可知，经过还原单元22还原后的压力传感器5的输出电压范围等于涡轮风机4的控制输入电压范围，即为(11)式。
将该范围仍做(12)式相同的变换，此时得到压力传感器5的输出电压范围，假设为：(0～Vc_max)(13)。
由于Q(K)系数不应小于1，且该Q(K)应使得D/A模块的数字量涵盖整个压力区间，根据不同MCU的D/A模块精度不同，这里假设D/A模块为n位，即：
D/A数字量为(0～2^n)假设为(0～Dm_max)(14)。
这里，假设此时压力的最大值为：Pmax，此时对应的D/A模块的输出为Dm_max，
此时，D/A模块输出电压为Vd_max，为了使得电机输出最大压力，必须有：
Vd_max*Q(K)-Vc_max＝Vm_max(15)，得到Q(K)＝(Vm_max+Vc_max)/Vd_max；
因此，在运算单元中，加入减法器，为了满足Vout(P)＝Q(K)*V(P)-F(K)*V1(P)(16)。
以本专利应用为例，
10位的D/A模块，数字量0～1023输出电压范围应能够控制涡轮风机4的输出压力0～30cmH2O；
而涡轮风机4的控制电压范围为1.5～4.2Vdc(假设该范围为Vc_min～Vc_max)，
由还原后的压力传感器输出曲线：V3＝V3(P)＝0.0956*P，输出区间为0～2.79Vdc，因此Q(K)＝(4.2+2.79)/3.3＝2.118。
四、运算单元23的运行机制：
若涡轮风机4的输出压力P0等于设置输入压力值P时，输出的Vout为固定值，若由于患者潮气量变化时引起流量波动进而影响压力变化时，涡轮风机4的输出压力P0不等于设置压力P时，F(K)*V1(P)反向变化，输出的Vout增大，涡轮风机4转速提高，输出压力P0增大，反之亦然。
五、运算单元2.3的运行机制的效果：
若呼吸机因漏气量过大造成压力降低时，则***中的硬件电路可自动进行补偿操作；若呼吸机的漏气量超出该电路的补偿范围时，则可执行对输入压力P进行补偿调节的操作。
本发明的呼吸机调压***的控制方法采用涡轮风机4的输出压力为反馈的闭环控制，不产生类似PID控制的积分累积，电机响应迅速，极大地提高了呼吸机的响应时间和舒适性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (9)
1.一种呼吸机调压***，其特征在于，包括供电***、运算***、控制***、压力传感器和涡轮风机；所述供电***分别与所述运算***、控制***、压力传感器和涡轮风机相电连；所述运算***、控制***和涡轮风机依次相连接；所述压力传感器设置在所述涡轮风机的出风口处，所述压力传感器与所述运算***相连接；
所述运算***输入端接收一输入电压V，所述输入电压V对应一输入压力P；所述压力传感器采集所述涡轮风机的输出压力P0后，输出电压V1并反馈至所述运算***；所述运算***接收所述压力传感器的输出电压V1，通过所述运算***运算处理后输出电机控制电压Vout；所述控制***输入端接收所述电机控制电压Vout，经所述控制***检测处理后，所述控制***输出端输出电机转速控制信号至所述涡轮风机，通过所述电机转速控制信号控制所述涡轮风机的转速，以调节所述涡轮风机的输出压力P0；
所述运算***包括接收单元、还原单元和运算单元，所述接收单元接收所述压力传感器的输出电压V1，所述接收单元对输出电压V1进行处理后输出电压V1＇至所述还原单元；所述还原单元将输出电压V1＇随所述涡轮风机的输出压力P0的变化率还原成与电机控制电压Vout随所述涡轮风机的输出压力P0的变化率相一致的信号，所述还原单元还原后得到输出电压V4，并将输出电压V4输送至所述运算单元；所述运算单元接收输入电压V，并对输入电压V进行放大处理后，得到输出电压V5，所述运算单元对输出电压V5和输出电压V4以及偏移电压Vm_min作加减法运算处理后，输出电机控制电压Vout。
2.根据权利要求1所述的呼吸机调压***，其特征在于，所述还原单元包括还原单元一、还原单元二和还原单元三，所述还原单元一修正输出电压V1＇，并输出电压V2至所述还原单元二，所述还原单元二对输出电压V2作缩放处理后输出电压V3至所述还原单元三，所述还原单元三将所述输出电压V3随所述涡轮风机的输出压力P0的变化率还原成与所述电机控制电压Vout随所述涡轮风机的输出压力P0的变化率相一致的信号，还原后输出电压V4。
3.根据权利要求1所述的呼吸机调压***，其特征在于，所述运算单元包括运算单元一和运算单元二，所述运算单元一对输入电压V进行放大处理后输出电压V5，所述运算单元二对输出电压V5和输出电压V4以及偏移电压Vm_min作加减法运算处理后，输出所述电机控制电压Vout。
4.一种如权利要求1～3任一项所述的呼吸机调压***的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)运算***输入端接收一输入电压V，所述输入电压V对应一输入压力P；
(2)压力传感器采集涡轮风机的输出压力P0，且所述压力传感器对应输出电压V1并反馈至所述运算***；
(3)运算***的接收单元接收所述压力传感器的输出电压V1，所述接收单元对所述输出电压V1进行处理后输出电压V1＇至所述运算***的还原单元；
(4)所述还原单元将输出电压V1＇随所述涡轮风机的输出压力P0的变化率还原成与电机控制电压Vout随所述涡轮风机的输出压力P0的变化率相一致的信号，经所述还原单元还原后得到输出电压V4，并将所述输出电压V4输送至所述运算***的运算单元；
(5)所述运算单元接收所述输入电压V，且所述运算单元对所述输入电压V进入放大处理后，得到输出电压V5，所述运算单元再对所述输出电压V5和所述输出电压V4以及偏移电压Vm_min作加减法运算处理后，输出电机控制电压Vout；
(6)所述控制***输入端接收所述电机控制电压Vout，经所述控制***检测处理后，所述控制***输出端输出电机转速控制信号至所述涡轮风机；
(7)所述涡轮风机根据所述电机转速控制信号，控制所述涡轮风机的转速，以控制所述涡轮风机的输出压力P0。
5.根据权利要求4所述的呼吸机调压***的控制方法，其特征在于，当所述涡轮风机的输出压力P0不等于输入压力P时，所述运算***根据所述压力传感器反馈的输出电压V1，调节输出的电机控制电压Vout的电压值，来调节所述控制***输出的电机转速控制信号，以改变所述涡轮风机的转速从而改变所述涡轮风机的输出压力P0，直到输出压力P0等于输入压力P；
当所述涡轮风机的输出压力P0等于输入压力P时，所述运算***输出的电机控制电压Vout的电压值为固定值，所述涡轮风机的转速不变。
6.根据权利要求4所述的呼吸机调压***的控制方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述接收单元对输出电压V1进行处理的具体操作为：
压力传感器的输出电压V1与输出压力P0之间构成的曲线为压力传感器输出曲线，假设其表达式为：V1＝V1(P0)，且0≤P0≤Pmax，Vs_min≤V1≤Vs_max，其中斜率为K1；所述接收单元主要对压力传感器输出曲线V1＝V1(P0)进行滤波和限幅处理，滤除压力传感器输出曲线V1＝V1(P0)中的干扰分量，滤除干扰分量后所述接收单元输出电压V1＇；Pmax表示压力的最大值；Vs_min表示压力传感器的输出电压的最小值，Vs_max表示压力传感器的输出电压的最大值。
7.根据权利要求4所述的呼吸机调压***的控制方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述还原单元还原后得到的输出电压V4随所述涡轮风机的输出压力P0的变化率与电机控制电压Vout随所述涡轮风机的输出压力P0的变化率相一致。
8.根据权利要求4所述的呼吸机调压***的控制方法，其特征在于，在步骤(4)中，所述还原单元包括还原单元一、还原单元二和还原单元三，所述还原单元将输出电压V1＇随所述涡轮风机的输出压力P0的变化率还原成与电机控制电压Vout随所述涡轮风机的输出压力P0的变化率相一致的信号，还原步骤具体为：
还原单元接收的输出电压V1＇与输出压力P0之间构成的曲线为输出电压V1＇控制曲线，假设其表达式为：V1＇＝V1＇(P0)，且0≤P0≤Pmax，Vs_min≤V1＇≤Vs_max，其中斜率为K1；运算单元输出的电机控制电压Vout与输出压力P0之间构成的曲线为电机控制曲线，假设其表达式为Vout＝Vout(P0)，且0≤P0≤Pmax，Vm_min≤Vout≤Vm_max，其中斜率为Kout；Pmax表示压力的最大值；Vs_min表示压力传感器的输出电压的最小值，Vs_max表示压力传感器的输出电压的最大值；Vm_max表示电机的控制输入电压的最大值；
(1)还原单元一：修正输出电压V1＇控制曲线，修正量ΔE为输出压力为零时对应的输出电压，得到输出电压V2控制曲线，则V2＝V1＇(P0)-ΔE，令V2＝V2(P0)，且0≤P0≤Pmax，0≤V2≤Vs_max-Vs_min，其中斜率为K2，ΔE＝Vs_min；
(2)还原单元二：对输出电压V2控制曲线，作进一步地缩放处理，得到输出电压V3控制曲线，其中缩放系数为Vd_max/(Vs_max-Vs_min)，则V3＝V2*Vd_max/(Vs_max-Vs_min)，令V3＝V3(P0)，且0≤P0≤Pmax，0≤V3≤Vd_max，其中斜率K3为K1*Vd_max/(Vs_max-Vs_min)，所述还原单元二得到输出电压V3后，通过A/D模块转化后再输送至所述还原单元三，其中Vd_max即为A/D模块的参考电压；
(3)还原单元三：将输出电压V3控制曲线的变化率还原成与电机控制曲线的变化率相一致，得到输出电压V4控制曲线，则V4＝V3*Kout/K3，令V4＝V4(P0)，且0≤P0≤Pmax，0≤V4≤Vm_max，其中斜率为K4，输出电压V4控制曲线经变化率还原后，得到K4＝Kout，因此在变化率还原的过程中，还原变换的系数为
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<mi>x</mi>
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</mrow>
9.根据权利要求4所述的呼吸机调压***的控制方法，其特征在于，在步骤(5)中，所述运算单元包括运算单元一和运算单元二，所述运算单元对所述输入电压V进行放大处理，得到输出电压V5，再对所述输出电压V5和输出电压V4以及偏移电压Vm_min作加减法运算处理后，输出所述电机控制电压Vout，具体操作为：
所述输入电压V与所述输入压力P之间构成的曲线为输入电压V控制曲线，假设其表达式为：V＝V(P)，且0≤P≤Pmax，0≤V≤Va_max，其中斜率为K；所述运算单元输出的电机控制电压Vout与所述输出压力P0之间构成的曲线为电机控制曲线，假设其表达式为Vout＝Vout(P0)，且0≤P0≤Pmax，Vm_min≤Vout≤Vm_max，其中斜率为Kout；Va_max表示D/A模块的参考电压；Pmax表示压力的最大值；Vm_max表示电机的控制输入电压的最大值；
(1)运算单元一：对输入电压V控制曲线进行放大处理，其中倍乘系数为Q(K)，且得到输出电压V5控制曲线，则V5(P)＝V(P)*Q(K)，且0≤P≤Pmax，0≤V5≤Va_max*Q(K)；
(2)运算单元二：作加减法运算处理：
Vout＝V5(P)-V4(P0)+Vm_min。
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