CN113425961B - 涡轮电机的控制方法及其控制装置和呼吸机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种涡轮电机的控制方法及其控制装置和呼吸机，其中，涡轮电机的控制方法包括：获取排气管路的目标输出流量、排气管路的实时输出流量以及排气管路内的实时压力；根据获取的目标输出流量和实时输出流量计算出误差压力；以及，根据计算出的误差压力和获取的实时压力计算出涡轮中涡轮电机的目标转速，并根据计算出的目标转速控制涡轮中的涡轮电机工作。本发明技术方案可精准调节呼吸机输出的气体流量。

Description

涡轮电机的控制方法及其控制装置和呼吸机
技术领域
本发明涉及呼吸机控制技术领域，特别涉及一种涡轮电机的控制方法及其控制装置和呼吸机。
背景技术
目前，呼吸机由于内部的涡轮作为气体驱动源不需要外接高压气源，在野外等缺少或者没有高压气源的场合以及没有中央供气的中小型医院等得到了广泛应用。呼吸机在工作时，需要对输出的气体流量进行精确控制，但现有技术通过控制设于主排气管路中的比例阀开度，来实现对呼吸机输出气体流量的控制，但这种控制方式无法实现对输出气体流量的精准调节。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种涡轮电机的控制方法，旨在解决现有呼吸机输出的气体流量无法精准调节的问题。
为实现上述目的，本发明提出的涡轮电机的控制方法，所述呼吸机包括具有涡轮电机并用于经排气管路输出气体的涡轮、用于检测所述排气管路的实时输出流量的流量传感器以及用于检测所述排气管路内实时压力的压力传感器；所述涡轮电机的控制方法包括：
获取排气管路的目标输出流量、排气管路的实时输出流量以及排气管路内的实时压力；
根据获取的目标输出流量和实时输出流量计算出误差压力；以及，
根据计算出的误差压力和获取的实时压力计算出涡轮中涡轮电机的目标转速，并根据计算出的目标转速控制涡轮中的涡轮电机工作。
可选地，所述根据获取的目标输出流量和实时输出流量计算出误差压力的步骤，包括：
根据获取的目标输出流量和实时输出流量计算出流量误差和流量误差变化率；
对计算出的流量误差和流量误差变化率进行模糊PI处理，以得到比例控制参数Kp和积分控制参数KI；
根据比例控制参数Kp、积分控制参数KI以及流量误差E计算得到误差压力。
可选地，所述对计算出的流量误差和流量误差变化率进行模糊PI处理，以得到比例控制参数Kp和积分控制参数Ki的步骤，包括：
对计算出的流量误差E和流量误差变化率EC进行量化处理，以将流量误差E和流量误差变化率EC转换到模糊论域中，并确定流量误差E和流量误差变化率EC分别在模糊论域中的模糊量化值FE和FEC；其中，模糊论域包括模糊子集，所述模糊子集包括负大、负中、负小、零、正小、正中和正大中的一个或多种组合；
根据三角隶属度函数、FE、FEC和模糊子集，确定FE和FEC分别与各自相邻的两模糊子集的隶属度值以及各自相邻两模糊子集在模糊论域中的模糊量化值；
根据FE和FEC分别与各自相邻两模糊子集的隶属度值以及各自相邻两模糊子集在模糊论域中的模糊量化值，计算得到比例控制参数Kp和积分控制参数Ki。
可选地，所述确定流量误差E和流量误差变化率EC分别在模糊论域中的模糊量化值，具体为：
根据第一预设公式确定流量误差在模糊论域中的模糊量化值；
所述第一预设公式为：
Figure 419396DEST_PATH_IMAGE001
；
FE为流量误差在模糊论域中的模糊量化值，E为流量误差，Emax为预设流量误差的最大值，Emin为预设流量误差的最小值，a为第一预设参数；
根据第二预设公式确定流量误差变化率在模糊论域中的模糊量化值；
所述第二预设公式为：
Figure 550DEST_PATH_IMAGE002
；
FEC为流量误差变化率在模糊论域中的模糊量化值，EC为流量误差变化率，ECmax为预设流量误差变化率的最大值，ECmin为预设流量误差变化率的最小值，b为第二预设参数。
可选地，所述根据FE和FEC分别与相邻两模糊子集的隶属度值以及FE和FEC相邻两模糊子集在模糊论域中的模糊量化值，计算得到比例控制参数Kp和积分控制参数Ki的步骤，具体为：
根据第三预设公式和第四预设公式，计算比例控制参数Kp；根据第五预设公式和第四预设公式，计算积分控制参数Ki；
所述第三预设公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；
所述第四预设公式为：
Figure 506356DEST_PATH_IMAGE004
；
所述第五预设公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE005
；
其中，Kp（N）为第N次计算的比例控制参数Kp，Kp（N-1）为第N-1次计算的比例控制参数Kp，Ki（N）为第N次计算的积分控制参数Ki，Ki（N-1）为第N-1次计算的积分控制参数Ki，∆K为∆Ki或者∆Kp，Mi为FE和FEC分别与相邻两模糊子集的隶属度值，Fi为FE和FEC相邻两模糊子集在模糊论域中的模糊量化值；i为整数，其取值范围为1-4。
可选地，所述根据比例控制参数Kp、积分控制参数KI以及流量误差E计算得到误差压力的步骤，具体为：
根据比例控制参数Kp、积分控制参数KI以及流量误差E以及第六预设公式计算出误差压力；
所述第六预设公式为：
Figure 235277DEST_PATH_IMAGE006
；
P（N）为第N次计算的误差压力，P（N-1）为第N-1次计算的误差压力，Ki（M）为第M次级计算中的积分控制参数Ki；M从0至N中进行选取。
可选地，所述排气管路具有排气口；
在所述获取排气管路的目标输出流量、排气管路的实时输出流量以及排气管路内的实时压力的步骤之前，所述涡轮电机的控制方法还包括：
按照预设转速间隔将涡轮电机的转速从最低转速nmin至最高转速nmax划分为多个转速，分别为n0-nm；
将排气管路的排气口密封，并每次从n0-nm中选取一个转速n控制涡轮电机工作，直至n0-nm被选取完；
获取涡轮电机在以不同转速n工作时，排气管路内的实时压力，分别为P0-Pn，并将获取的每一实时压力作为涡轮电机对应转速下的目标压力阈值进行关联存储。
可选地，所述根据计算出的误差压力和获取的实时压力计算出涡轮中涡轮电机的目标转速，包括：
将计算出的误差压力和获取的实时压力进行加法计算，以得到排气管路的目标压力Px；
根据目标压力Px确定对应的目标压力阈值以及关联存储的转速，并将确定的转速作为涡轮中涡轮电机的目标转速nx。
可选地，所述根据目标压力确定对应的目标压力以及关联存储的转速的步骤，还包括：
当目标压力Px大于P0-Pn中的最大值Pmax、小于P0-Pn中的最小值Pmin或者处于P0-Pn中相邻两实时压力Pn和Pn-1之间时，按照预设预设转速选取规则确定涡轮中涡轮电机的目标转速nx；
所述预设预设转速选取规则为：
当Px大于P0-Pn中的最大值Pmax时，选取涡轮的最高转速nmax作为涡轮中涡轮电机的目标转速nx；
当Px小于P0-Pn中的最小值Pmin时，选取涡轮的最低转速nmin作为涡轮中涡轮电机的目标转速nx；
当目标压力Px处于P0-Pn中相邻两实时压力Pj和Pj-1之间时，确定Pj对应的转速nj以及确定Pj-1对应的转速nj-1，将nj和nj-1进行减法运算以得到第一转速差值，将Pj和Pj-1进行减法运算以得到第一压力差值，将Px和Pj-1分进行减法运算以得到第三压力差值，以及将第一转速差值与第一压力差值的比值与第三压力差值进行乘积运算后，再与nn-1进行加法计算，并将加法计算的结果做为涡轮中涡轮电机的目标转速nx；
其中，j为整数，其取值范围为1-n；所述Pj为相邻两实时压力中大于Px的实时压力，Pj-1为相邻两实时压力中小于Px的实时压力。
本发明还提出一种涡轮电机的控制装置，所述呼吸机包括具有涡轮电机并用于经排气管路输出气体的涡轮、用于检测所述排气管路的实时输出流量的流量传感器以及用于检测所述排气管路内实时压力的压力传感器；所述涡轮电机的控制装置包括：
存储器；
处理器；以及
存储在存储器上并可在处理器上运行的涡轮电机的控制程序，所述处理器执行所述涡轮电机的控制程序时实现如上所述的涡轮电机的控制方法。
本发明还提出一种呼吸机，所述呼吸机包括：
涡轮，具有涡轮电机并用于经排气管路输出气体；
流量传感器，用于检测所述排气管路的实时输出流量；
压力传感器，用于检测所述排气管路内实时压力；以及，
如上所述的涡轮电机的控制装置，所述涡轮电机的控制装置分别与所述涡轮、流量传感器以及压力传感器连接。
可选地，所述涡轮电机的控制装置包括：
流量控制器，分别与所述流量传感器和压力传感器连接；
涡轮电机控制器，分别与所述流量控制器和所述涡轮连接。
本发明技术方案通过获取排气管路的目标输出流量、排气管路的实时输出流量以及排气管路内的实时压力，再根据获取的目标输出流量和实时输出流量计算出误差压力，并根据计算出的误差压力和获取的实时压力计算出涡轮中涡轮电机的目标转速，进而根据计算出的目标转速控制涡轮工作。本发明技术方案通过形成压力和流量双闭环反馈机制，相较于现有技术而言，本申请技术方案为直接控制涡轮电机转速，对于气体流量调节效果更好，且双反馈机制计算出的目标转速更为精准，因而可显著提高呼吸机输出气体流量调节的精准度，有利于提高病人的治疗效果。
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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明涡轮电机的控制方法一实施例的流程示意图；
图2为本发明涡轮电机的控制方法另一实施例的流程示意图；
图3为本发明涡轮电机的控制方法又一实施例的流程示意图；
图4为本发明涡轮电机的控制方法再一实施例的流程示意图；
图5为本发明涡轮电机的控制装置一实施例硬件运行环境的结构示意图；
图6为本发明呼吸机一实施例的模块结构示意图；
图7为本发明涡轮电机的控制方法一实施例中三角隶属度函数的函数示意图。
附图标号说明：
标号 名称 标号 名称
100 涡轮电机的控制装置 210 涡轮
101 存储器 220 流量传感器
102 处理器 230 压力传感器
103 通信总线 240 排气管路
110 流量控制器 250 人体气道
120 涡轮电机控制器 260 肺
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明提出一种涡轮电机的控制方法。
目前，电动电控呼吸机由于可利用内部涡轮作为气体驱动源，不需要外接高压气源，在缺少或者没有高压气源的场合中得到了广泛应用。但现有电动电控呼吸机中采用涡轮作为低压气源，其后端采用大通径的比例阀对涡轮进行流量控制，并使涡轮电机转速恒定，仅靠流量反馈控制后端阀门开度改变气阻来实现流量控制。但这种控制方式由于比例阀自身摩擦力以及阀体开度无法精准控制等因素，无法实现气体流量的精准控制，以使得送入人体的气体流量会小于/超出预设值，十分影响病人的治疗效果。
参照图1，在本发明一实施例中，呼吸机包括具有涡轮电机并用于经排气管路输出气体的涡轮、用于检测排气管路的实时输出流量的流量传感器以及用于检测排气管路内实时压力的压力传感器；所述涡轮电机的控制方法包括：
步骤S100、获取排气管路的目标输出流量、排气管路的实时输出流量以及排气管路内的实时压力；
涡轮电机的控制装置可接收用户通过呼吸机中触发电路或组件所输出的流量设定信号，并可通过对流量设定信号进行分析来确定用户所设定输出的流量值，即目标输出流量；其中，触发电路或组件包括但不限于：按键电路、触控屏或者无线通信电路。呼吸机还可接收流量传感器实时检测排气管路中流量所输出的流量检测信号，以及接收压力传感器实时检测排气管路中压力所述输出的压力检测信号，并可将模拟信号的流量检测信号和压力检测信号转换为数字信号后对其进行分析处理，来实时获取与二者分别对应流量值和压力值；其中，流量值即为排气管路的实时输出流量，压力值即为排气管路内的实时压力。
步骤S200、根据获取的目标输出流量和实时输出流量计算出误差压力；
可以理解的是，气体流量等于通气面积与气体流速的乘积，且在通气面积一定的情况下，不同的气体流速会产生不同的压力，即不同的气体流量会有不同的压力。涡轮电机的控制装置中可集成有用于根据气体流量计算出对应压力的预设流量-压力计算公式，用以根据获取的目标输出流量和实时输出流量分别计算出二者对应的压力；其中，目标输出流量对应的压力可为目标压力，实时输出流量对应的压力可为当前压力，因而涡轮电机的控制装置可将目标输出流量和实时输出流量分别对应的压力进行相应的运算，例如求差运算来获取误差压力。预设流量-压力计算公式可由多次预先实验来确定。
步骤S300、根据计算出的误差压力和获取的实时压力计算出涡轮中涡轮电机的目标转速，并根据计算出的目标转速控制涡轮中的涡轮电机工作。
可以理解的是，误差压力表征为排气管路中当前压力与目标压力之间的误差值，因此涡轮电机的控制装置可根据误差压力和实时压力计算出排气管路中应该达到的目标压力；具体为，将误差压力与实时压力相加得到目标压力。涡轮电机的控制装置中还可存储有用于根据目标压力确定出对应涡轮电机转速的预设压力-转速计算公式或者映射表，以使涡轮电机的控制装置可根据目标压力确定与目标压力对应的转速，即目标转速，并可根据计算结果控制涡轮工作，以使涡轮中涡轮电机的转速达到目标转速；其中，预设压力-转速计算公式或者映射表同样可由多次预先实验来确定。
如此，本发明涡轮电机的控制方法在流量检测的基础上进一步采用压力检测，以利用目标输出流量和实时输出流量计算出误差压力，进而根据误差压力和实时压力来确定涡轮中涡轮电机的目标转速，从而形成压力和流量双闭环反馈机制。相较于现有技术仅采用流量反馈控制阀体开度而言，本申请技术方案为直接控制涡轮电机转速，对于气体流量调节效果更好，且双反馈机制计算出的目标转速更为精准，因而可显著提高呼吸机输出气体流量调节的精准度，有利于提高病人的治疗效果。
参照图2，在本发明一实施例中，所述步骤S200，包括：
步骤S210、根据获取的目标输出流量和实时输出流量计算出流量误差和流量误差变化率；
步骤S220、对计算出的流量误差和流量误差变化率进行模糊PI处理，以得到比例控制参数Kp和积分控制参数KI；
步骤S230、根据比例控制参数Kp、积分控制参数KI以及流量误差E计算得到误差压力。
本实施例中，涡轮电机的控制装置可通过将目标输出流量和实时输出流量进行差值计算以得到实时流量误差E，并可通过对流量误差EC进行微分运算（即
Figure DEST_PATH_IMAGE007
）得到。涡轮电机的控制装置中还可存储有用于模糊PI控制处理的软件程序或算法，以对计算出的流量误差E和流量误差EC进行模糊PI控制处理，以使流量误差E和流量误差EC可转换为对应的模糊量后，再解模糊转换为清晰的比例控制参数Kp和积分控制参数KI；其中，用于模糊PI控制处理的软件程序或算法为本领域技术人员根据多次预先实验以及长期临床经验所设定的，可使得最终得到的比例控制参数Kp和积分控制参数KI适应人体呼吸***的复杂非线性模型，有利于维持呼吸机在恒流量阶的输出流量恒定。且在本实施例中，涡轮电机的控制装置中还可将比例控制参数Kp、积分控制参数KI以及流量误差E进行相应的计算，例如可将流量误差E先与Kp和KI中的一者进行乘积运算，再将乘积运算结果与Kp和KI中的另一者进行加法运算来得到误差压力。如此，可利用流量误差E对Kp或KI进行补偿后再得到误差压力，有利于提高误差压力的精确度。
参照图3，在本发明一实施例中，所述步骤S220，包括：
步骤S221、对计算出的流量误差E和流量误差变化率EC进行量化处理，以将流量误差E和流量误差变化率EC转换到模糊论域中，并确定流量误差E和流量误差变化率EC分别在模糊论域中的模糊量化值FE和FEC；其中，模糊论域包括模糊子集，所述模糊子集包括负大、负中、负小、零、正小、正中和正大中的一个或多种组合；
步骤S222、根据三角隶属度函数、FE、FEC和模糊子集，确定FE和FEC分别与各自相邻的两模糊子集的隶属度值以及各自相邻两模糊子集在模糊论域中的模糊量化值；
步骤S223、根据FE和FEC分别与各自相邻两模糊子集的隶属度值以及各自相邻两模糊子集在模糊论域中的模糊量化值，计算得到比例控制参数Kp和积分控制参数Ki。
本实施例中，涡轮电机的控制装置可根据相应的预设转换公式，以将处于基础域的流量误差E和流量误差变化率EC转换为处于模糊论域中相应模糊子集的模糊量，并可确定模糊量的流量误差E和流量误差变化率EC在相应模糊子集中的模糊量化值。本实施例以模糊路论域包括负大、负中、负小、零、正小、正中和正大7个模糊子集，并定义7个模糊子集对应的模糊论域为{6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}为例进行解释说明，而在其他实施例中，模糊论域还可包括更多或者更少的模糊子集，且各模糊子集也还可定义为对应更大或更小的模糊论域，在此不做限定。本实施例中确定E和EC分别在模糊论域中的模糊量化值的过程具体为，将流量误差E、预设流量误差的最大值Emax、预设流量误差的最小值Emin，第一预设参数a代入第一预设公式：
Figure 517354DEST_PATH_IMAGE008
，以计算得到流量误差E的模糊量化值；将流量误差变化率EC、预设流量误差变化率的最大值ECmax、预设流量误差变化率的最小值ECmin，第二预设参数b代入第二预设公式：
Figure 15332DEST_PATH_IMAGE002
；其中，a、b、Emax、Emin、ECmax和ECmin可由多次预先实验获取或者根据长期测试经验进行设定。在另一实施例中，a和b的值为1。
本实施例采用三角隶属度函数作为模糊PI的输入输出隶属度计算函数，具体可参照图7所示。涡轮电机的控制装置可根据三角隶属度函数即可确定FE、FEC二者分别所处哪两个相邻的模糊子集之间，以及FE、FEC各自隶属其相邻两个模糊子集的程度，即隶属度值，因此本步骤S222可以确定4个模糊子集以及4个隶属度值；其中，隶属度值为一个不小于0，且不大于1的值。涡轮电机的控制装置还可根据确定的4个模糊子集和模糊论域的对应关系，确定4个模糊子集在其中的模糊量化值，并可根据确定的4个模糊子集在模糊论域中的模糊量化值和4个隶属度值计算出比例控制参数Kp和积分控制参数Ki。如此，可保证在FE和FEC在模糊论域中只在模糊子集处才存在最大隶属度或最小隶属度，相较于梯形隶属度函数，更符合人体的复杂气道模型。
参照图3，在本发明一实施例中，所述步骤S223，具体为：
根据第三预设公式和第四预设公式，计算比例控制参数Kp；根据第五预设公式和第四预设公式，计算积分控制参数Ki；
所述第三预设公式为
Figure 724662DEST_PATH_IMAGE003
；
所述第四预设公式为
Figure 675300DEST_PATH_IMAGE004
；
所述第五预设公式为
Figure 557806DEST_PATH_IMAGE009
；
其中，Kp（N）为第N次计算的比例控制参数Kp，Kp（N-1）为第N-1次计算的比例控制参数Kp，Ki（N）为第N次计算的积分控制参数Ki，Ki（N-1）为第N-1次计算的积分控制参数Ki，∆K为∆Ki或者∆Kp，Mi为FE和FEC分别与相邻两模糊子集的隶属度值，Fi为FE和FEC相邻两模糊子集在模糊论域中的模糊量化值，i为整数，其取值范围为1-4。
本发明技术方案通过采用重心法作为解模糊方法，且采用相同的第四预设公式来计算∆Ki或者∆Kp。需要注意的是，Mi包括M1、M2、M3、M4，而Fi包括F1、F2、F3、F4，在计算∆Ki或者∆Kp时，Mi和Fi需要一一对应选取，例如：F1为FE相邻两模糊子集中模糊量化之较小的模糊子集时，在计算选用F1时，也需要选取FE隶属该模糊子集的隶属度M1。涡轮电机的控制装置在第N次计算Ki和Kp时，为在第上一次，即N-1次计算Ki和Kp的结果上叠加∆Ki或者∆Kp，如此，在呼吸机流量控制进入恒流量阶段时，可使得Kp（N）和Ki（N）在上一次计算结果上进行微调，以满足气道阻力及人体肺顺应性的实时变化情况，有利于提高恒流量阶段输出流量恒定的稳定性。
在实际应用中，可根据计算出的∆Ki或者∆Kp建立∆Ki和∆Kp的模糊规则表，以供后续设计参照。本申请在此提供一种∆Ki和∆Kp的模糊规则表，具体如下所示：
Figure 582393DEST_PATH_IMAGE010
参照图3，在本发明一实施例中，所述步骤S230，具体为：
根据比例控制参数Kp、积分控制参数KI以及流量误差E以及第六预设公式计算出误差压力；
所述第六预设公式为：
Figure 524942DEST_PATH_IMAGE006
，P（N）为第N次计算的误差压力，P（N-1）为第N-1次计算的误差压力，Ki（M）为第M次级计算中的积分控制参数Ki；M从0至N中进行选取。
本实施例中，涡轮电机的控制装置可将每一次计算得到的比例控制参数Kp、积分控制参数KI进行存储，以在第N次计算误差压力时，调用之前N-1次计算得到的积分控制参数KI，并可将每一次积分控制参数KI与第N次的流量误差E的乘积进行累加，再将累加结果与第N次计算得到的Kp进行加法运算，以把加法计算的结果作为第N次计算得到的误差压力。由于涡轮电机的控制装置在每一次模糊PI运算时，都需要调用之前N-1次计算出的数据，如若之前的数据存在计算误差，那该误差会随着计算次数的增多而逐渐积累，进而导致呼吸机的气体输出流量逐渐异常，为解决该异常则需要重启呼吸机，该解决办法在病人使用呼吸机时完全无法采用，这也是PI模糊控制无法在呼吸机中应用的难点。本申请技术方案则克服了上述行业难点，通过在计算出误差压力时，利用当前流量误差E和之前每一次计算出来的积分控制参数KI来对第N次计算出来的P（N）进行积分校正，可降低计算出的误差压力中积累的误差量，极大的提高了呼吸机有效工作时长。
参照图4，在本发明一实施例中，所述排气管路具有排气口；
在所述步骤S100之前，所述涡轮电机的控制方法还包括：
步骤S400、按照预设转速间隔将涡轮电机的转速从最低转速nmin至最高转速nmax划分为多个转速，分别为n0-nm；
步骤S500、将排气管路的排气口密封，并每次从n0-nm中选取一个转速n控制涡轮电机工作，直至n0-nm被选取完；
步骤S600、获取涡轮电机在以不同转速n工作时，排气管路内的实时压力，分别为P0-Pn，并将获取的每一实时压力作为涡轮电机对应转速下的目标压力阈值进行关联存储。
进一步地，所述步骤S300中根据计算出的误差压力和获取的实时压力计算出涡轮中涡轮电机的目标转速，包括：
将计算出的误差压力和获取的实时压力进行加法计算，以得到排气管路的目标压力Px；
根据目标压力Px确定对应的目标压力阈值以及关联存储的转速，并将确定的转速作为涡轮中涡轮电机的目标转速nx。
本实施例中，在获取目标输出流量、实时输出流量以及实时压力之前，还需要建立目标压力与目标转速之间的映射关系。本申请技术方案通过将排气管路与人体连通的一端，即其排气口密封，以模拟病人使用时的情况，并将涡轮电机的转速从最低转速nmin至最高转速nmax按照预设转速间隔划分为多个即n0-nm，以使涡轮电机的控制装置可陆续从多个转速中随机选取一个转速来控制涡轮工作，直至多个转速被选取完；其中，涡轮电机的最低转速nmin和最高转速nmax可由实验获取或者由涡轮电机铭牌获取。涡轮电机的控制装置可在涡轮工作时，获取其中涡轮电机以不同转速下所排出的气体在排气管路中产生的实时压力，即P0-Pn，并可将此时获取的实时压力作为目标压力阈值与对应的涡轮电机转速进行关联存储，从而实现了建立目标压力与目标转速之间的映射关系；其中，预设转速间隔应该选取的尽量小。如此，涡轮电机的控制装置在将误差压力和实时压力相加得到目标压力Px后，可将计算的目标压力与P0-Pn进行比较，以确定P0-Pn中与之对应的或者最为接近的目标压力阈值，以及该目标压力阈值关联存储的转速，进而可根据确定的转速控制涡轮工作。如此设置，使得目标压力与目标转速呈线性关系，降低了整个控制***的非线性度，可大幅度改善呼吸机控制装置的流量控制效果。
参照图4，在本发明一实施例中，所述根据目标压力Px确定对应的目标压力以及关联存储的转速的步骤，还包括：
当目标压力Px大于P0-Pn中的最大值Pmax、小于P0-Pn中的最小值Pmin或者处于P0-Pn中相邻两实时压力Pn和Pn-1之间时，按照预设预设转速选取规则确定涡轮中涡轮电机的目标转速nx；
所述预设预设转速选取规则为：
当Px大于P0-Pn中的最大值Pmax时，选取涡轮的最高转速nmax作为涡轮中涡轮电机的目标转速nx；
当Px小于P0-Pn中的最小值Pmin时，选取涡轮的最低转速nmin作为涡轮中涡轮电机的目标转速nx；
当目标压力Px处于P0-Pn中相邻两实时压力Pj和Pj-1之间时，确定Pj对应的转速nj以及确定Pj-1对应的转速nj-1，将nj和nj-1进行减法运算以得到第一转速差值，将Pj和Pj-1进行减法运算以得到第一压力差值，将Px和Pj-1分进行减法运算以得到第三压力差值，以及将第一转速差值与第一压力差值的比值与第三压力差值进行乘积运算后，再与nn-1进行加法计算，并将加法计算的结果做为涡轮中涡轮电机的目标转速nx；
其中，j为整数，其取值范围为1-n；所述Pn为相邻两实时压力中大于Px的实时压力，Pn-1为相邻两实时压力中小于Px的实时压力。
在实际应用中，即便预设转速间隔选取的很小，也会出现P0-Pn中没有与计算出的目标压力对应的目标压力阈值、计算出的目标压力小于P0-Pn中的最小值Pmin，以及计算出的目标压力大于P0-Pn中的最大值Pmax三种额外情况。本发明涡轮电机的控制方法通过在涡轮电机的控制装置中设置预设转速选取规则，以在Px大于Pmax时，选用多个目标压力阈值中对应的最高转速nmax作为涡轮中涡轮电机的目标转速，以避免过高的转速影响涡轮的工作稳定性；在Px小于Pmax时，选用多个目标压力阈值中对应的最低转速nmax作为涡轮中涡轮电机的目标转速，以避免过低的转速造成涡轮无法正常启动。涡轮电机的控制装置还可在Px处于P0-Pn中任意相邻两实时压力Pj和Pj-1之间时，按照以下公式：
Figure 962876DEST_PATH_IMAGE011
计算出涡轮中涡轮电机的目标转速PX；其中，j为整数，其取值范围为1-n，以保证Px相邻两实时压力Pj和Pj-1不会超出P0-Pn的范围。本申请涡轮电机的控制方法通过提前对涡轮电机转速与实时压力的三种额外情况进行校准，可将涡轮电机转速与实时压力之间的非线性关系进一步线性化，有利于进一步降低控制***的非线性度。
现有技术中还有存在一种通过流量检测和PI（比例-积分）控制来直接控制涡轮电机转速的呼吸机控制方法。但此方法忽略了在呼吸机涡轮工作过程中，涡轮、排气管路、人体呼吸道实际上三者形成了一个对外密闭的气体通路，在流量上升阶段，存在较大的超调量（即初始阶段存在很大的过冲），以及流量在上升过程中还受气道阻力及人体肺顺应性影响，而整个人体气道模型非常复杂，且不同的人体之间的差异性大；当呼吸机流量控制进入平台期（即恒流量阶段）后，因气体不断进入肺内，肺弹性阻力会不断增大，此时需要涡轮时刻改变涡轮电机转速以维持流量，且不同的人肺顺应性不一样，不同阻力增大时的所需涡轮电机转速也不一致。
因此现有技术这种仅采用流量反馈，并根据流量反馈与预设流量阈值计算出流量误差，进而直接控制涡轮电机转速的方案根本无法适应人体呼吸***的复杂非线性模型，极易造成流量上升阶段存在流量过冲以及流量不稳定的问题，且也无法兼顾人体气道的各种情况，因而还会在恒流量阶段导致输出流量难以恒定的问题。而本申请技术方案则克服了上述问题，本申请涡轮电机的控制方法通过采用流量及压力双闭环设计，减少了流量上升阶段的超调量，同时有利于增加恒流量阶段的流量稳定性及对气道压力变化的适应性。
本发明还提出一种涡轮电机的控制装置，可以用于呼吸机中。
参照图5，在本发明一实施例中，所述呼吸机包括具有涡轮电机并用于经排气管路输出气体的涡轮、用于检测所述排气管路的实时输出流量的流量传感器以及用于检测所述排气管路内实时压力的压力传感器；所述涡轮电机的控制装置包括：
存储器101；
处理器102；以及
存储在存储器101上并可在处理器上运行的涡轮电机的控制程序，所述处理器102执行所述涡轮电机的控制程序时实现如上所述的涡轮电机的控制方法。
本实施例中，存储器101可以为高速RAM存储器，也可以是稳定的存储器(non-volatile memory)，例如磁盘存储器，存储器101可选的还可以是独立于前述控制装置的存储装置；处理器102可以为CPU。存储器101和处理器102之间以通信总线103连接，该通信总线103可以是UART总线或I2C总线。可以理解的是，控制装置中还可设置有其他的相关程序，以驱动呼吸机中其他的功能单元及模块工作。
本发明还提出一种呼吸机。
参照图6，在本发明一实施例中，所述呼吸机包括：
涡轮210，具有涡轮电机并用于经排气管路输出气体；
流量传感器220，用于检测所述排气管路240的实时输出流量；
压力传感器230，用于检测所述排气管路240内实时压力；以及，
如上述的涡轮电机的控制装置，所述涡轮电机的控制装置分别与所述涡轮210、流量传感器220以及压力传感器230连接。
进一步地，所述涡轮电机的控制装置包括：
流量控制器110，分别与所述流量传感器220和压力传感器230连接；
涡轮电机控制器120，分别与所述流量控制器110和所述涡轮210连接。
本实施例中，涡轮210可具有进气口和出气口，以及分别与进气口和出气口连通的涡轮电机，涡轮210的进气口可配置为与空气源连通，其出气口可配置为与排气管路240的一端连通，排气管路240的另一端可与经人体气道250与肺260连通；其中涡轮电机可由定子、转子、转轴以及扇叶组件来组建实现。涡轮210可在工作时，驱动涡轮电机将空气从进气口吸入，以利用涡轮电机的转速使空气可以一定流速从出气口经排气管路排出，从而实现为病人提供空气或者空养混合气体中的空气成分。
流量传感器220，其中可预存有排气管路240的通气面积参数。流量传感器220用以在排气管路240中气体流量发生变化时，实时检测排气管路240中的气体流速大小，并用以根据通气面积参数和检测到的气体流速计算出对应的输出流量并反馈至涡轮电机的控制装置，从而实现气体流量的检测。
压力传感器230，用以在排气管路240中气体流通时，检测排气管路240内的压力，并反馈对应的压力检测信号至涡轮电机的控制装置，从而实现气体压力的检测。
涡轮电机的控制装置的具体结构可参照上述实施例，由于本呼吸机采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。涡轮电机的控制装置分别与涡轮210的受控端、流量传感器220的输出端和压力传感器230的输出端连接，以用于根据流量检测信号和压力检测信号，运行涡轮电机的控制程序控制涡轮210工作。
在另一实施例中，涡轮电机的控制装置中包括有流量控制器110和涡轮电机控制器120。流量控制器110用于根据流量检测输出和压力检测数据计算出涡轮210中涡轮电机的目标转速，并用于将计算结果输出至涡轮电机控制器120。涡轮电机控制器120可包括微处理器以及由开关器件、电容及电阻等分立器件构成的功率模块；其中，微处理器可接入流量控制器110输出的目标转速，以及可根据目标转速计算出功率模块中相应开关器件的导通角以及导通时序等，并可根据计算结果输出相应的开关控制信号至功率模块，以通过控制功率模块中各开关器件的导通/截止状态，来改变功率模块输出至涡轮电机的驱动电源大小，进而以实现对涡轮电机的转速控制。
以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (11)

1.一种涡轮电机的控制方法，应用于呼吸机中，其特征在于，所述呼吸机包括具有涡轮电机并用于经排气管路输出气体的涡轮、用于检测所述排气管路的实时输出流量的流量传感器以及用于检测所述排气管路内实时压力的压力传感器；所述涡轮电机的控制方法包括：
获取排气管路的目标输出流量、排气管路的实时输出流量以及排气管路内的实时压力；
根据获取的目标输出流量和实时输出流量计算出误差压力；以及，
根据计算出的误差压力和获取的实时压力计算出涡轮中涡轮电机的目标转速，并根据计算出的目标转速控制涡轮中的涡轮电机工作；
所述根据获取的目标输出流量和实时输出流量计算出误差压力的步骤，包括：
根据获取的目标输出流量和实时输出流量计算出流量误差和流量误差变化率；
对计算出的流量误差和流量误差变化率进行模糊PI处理，以得到比例控制参数Kp和积分控制参数Ki；
根据比例控制参数Kp、积分控制参数Ki以及流量误差E计算得到误差压力。
2.如权利要求1所述的涡轮电机的控制方法，其特征在于，所述对计算出的流量误差和流量误差变化率进行模糊PI处理，以得到比例控制参数Kp和积分控制参数Ki的步骤，包括：
对计算出的流量误差E和流量误差变化率EC进行量化处理，以将流量误差E和流量误差变化率EC转换到模糊论域中，并确定流量误差E和流量误差变化率EC分别在模糊论域中的模糊量化值FE和FEC；其中，模糊论域包括模糊子集，所述模糊子集包括负大、负中、负小、零、正小、正中和正大中的一个或多种组合；
根据三角隶属度函数、FE、FEC和模糊子集，确定FE和FEC分别与各自相邻的两模糊子集的隶属度值以及各自相邻两模糊子集在模糊论域中的模糊量化值；
根据FE和FEC分别与各自相邻两模糊子集的隶属度值以及各自相邻两模糊子集在模糊论域中的模糊量化值，计算得到比例控制参数Kp和积分控制参数Ki。
3.如权利要求2所述的涡轮电机的控制方法，其特征在于，所述确定流量误差E和流量误差变化率EC分别在模糊论域中的模糊量化值，具体为：
根据第一预设公式确定流量误差在模糊论域中的模糊量化值；
所述第一预设公式为：
Figure 189923DEST_PATH_IMAGE001
；
FE为流量误差在模糊论域中的模糊量化值，E为流量误差，Emax为预设流量误差的最大值，Emin为预设流量误差的最小值，a为第一预设参数；
根据第二预设公式确定流量误差变化率在模糊论域中的模糊量化值；
所述第二预设公式为：
Figure 4295DEST_PATH_IMAGE002
；
FEC为流量误差变化率在模糊论域中的模糊量化值，EC为流量误差变化率，ECmax为预设流量误差变化率的最大值，ECmin为预设流量误差变化率的最小值，b为第二预设参数。
4.如权利要求2所述的涡轮电机的控制方法，其特征在于，所述根据FE和FEC分别与相邻两模糊子集的隶属度值以及FE和FEC相邻两模糊子集在模糊论域中的模糊量化值，计算得到比例控制参数Kp和积分控制参数Ki的步骤，具体为：
根据第三预设公式和第四预设公式，计算比例控制参数Kp；根据第五预设公式和第四预设公式，计算积分控制参数Ki；
所述第三预设公式为：
Figure 889074DEST_PATH_IMAGE003
；
所述第四预设公式为：
Figure 218424DEST_PATH_IMAGE004
；
所述第五预设公式为：
Figure 479641DEST_PATH_IMAGE005
；
其中，Kp（N）为第N次计算的比例控制参数Kp，Kp（N-1）为第N-1次计算的比例控制参数Kp，Ki（N）为第N次计算的积分控制参数Ki，Ki（N-1）为第N-1次计算的积分控制参数Ki，∆K为∆Ki或者∆Kp，Mi为FE和FEC分别与相邻两模糊子集的隶属度值，Fi为FE和FEC相邻两模糊子集在模糊论域中的模糊量化值；i为整数，其取值范围为1-4。
5.如权利要求4所述的涡轮电机的控制方法，其特征在于，所述根据比例控制参数Kp、积分控制参数Ki以及流量误差E计算得到误差压力的步骤，具体为：
根据比例控制参数Kp、积分控制参数Ki以及流量误差E以及第六预设公式计算出误差压力；
所述第六预设公式为：
Figure 712302DEST_PATH_IMAGE006
；
P（N）为第N次计算的误差压力，P（N-1）为第N-1次计算的误差压力，Ki（M）为第M次级计算中的积分控制参数Ki；M从0至N中进行选取。
6.如权利要求1所述的涡轮电机的控制方法，其特征在于，所述排气管路具有排气口；
在所述获取排气管路的目标输出流量、排气管路的实时输出流量以及排气管路内的实时压力的步骤之前，所述涡轮电机的控制方法还包括：
按照预设转速间隔将涡轮电机的转速从最低转速nmin至最高转速nmax划分为多个转速，分别为n0-nm；
将排气管路的排气口密封，并每次从n0-nm中选取一个转速n控制涡轮电机工作，直至n0-nm被选取完；
获取涡轮电机在以不同转速n工作时，排气管路内的实时压力，分别为P0-Pn，并将获取的每一实时压力作为涡轮电机对应转速下的目标压力阈值进行关联存储。
7.如权利要求6所述的涡轮电机的控制方法，其特征在于，所述根据计算出的误差压力和获取的实时压力计算出涡轮中涡轮电机的目标转速，包括：
将计算出的误差压力和获取的实时压力进行加法计算，以得到排气管路的目标压力Px；
根据目标压力Px确定对应的目标压力阈值以及关联存储的转速，并将确定的转速作为涡轮中涡轮电机的目标转速nx。
8.如权利要求7所述的涡轮电机的控制方法，其特征在于，所述根据目标压力确定对应的目标压力以及关联存储的转速的步骤，还包括：
当目标压力Px大于P0-Pn中的最大值Pmax、小于P0-Pn中的最小值Pmin或者处于P0-Pn中相邻两实时压力Pn和Pn-1之间时，按照预设转速选取规则确定涡轮中涡轮电机的目标转速nx；
所述预设转速选取规则为：
当Px大于P0-Pn中的最大值Pmax时，选取涡轮的最高转速nmax作为涡轮中涡轮电机的目标转速nx；
当Px小于P0-Pn中的最小值Pmin时，选取涡轮的最低转速nmin作为涡轮中涡轮电机的目标转速nx；
当目标压力Px处于P0-Pn中相邻两实时压力Pj和Pj-1之间时，确定Pj对应的转速nj以及确定Pj-1对应的转速nj-1，将nj和nj-1进行减法运算以得到第一转速差值，将Pj和Pj-1进行减法运算以得到第一压力差值，将Px和Pj-1分进行减法运算以得到第三压力差值，以及将第一转速差值与第一压力差值的比值与第三压力差值进行乘积运算后，再与nn-1进行加法计算，并将加法计算的结果做为涡轮中涡轮电机的目标转速nx；
其中，j为整数，其取值范围为1-n；所述Pj为相邻两实时压力中大于Px的实时压力，Pj-1为相邻两实时压力中小于Px的实时压力。
9.一种涡轮电机的控制装置，应用于呼吸机中，其特征在于，所述呼吸机包括具有涡轮电机并用于经排气管路输出气体的涡轮、用于检测所述排气管路的实时输出流量的流量传感器以及用于检测所述排气管路内实时压力的压力传感器；所述涡轮电机的控制装置包括：
存储器；
处理器；以及
存储在存储器上并可在处理器上运行的涡轮电机的控制程序，所述处理器执行所述涡轮电机的控制程序时实现如权利要求1-8任一项所述的涡轮电机的控制方法。
10.一种呼吸机，其特征在于，所述呼吸机包括：
涡轮，具有涡轮电机并用于经排气管路输出气体；
流量传感器，用于检测所述排气管路的实时输出流量；
压力传感器，用于检测所述排气管路内实时压力；以及，
如权利要求9所述的涡轮电机的控制装置，所述涡轮电机的控制装置分别与所述涡轮、流量传感器以及压力传感器连接。
11.如权利要求10所述的呼吸机，其特征在于，所述涡轮电机的控制装置包括：
流量控制器，分别与所述流量传感器和压力传感器连接；
涡轮电机控制器，分别与所述流量控制器和所述涡轮连接。
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