CN114588444A - 呼吸机氧浓度和压力水平控制方法、装置、终端、介质 - Google Patents

呼吸机氧浓度和压力水平控制方法、装置、终端、介质 Download PDF

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CN114588444A CN202210243153.3A CN202210243153A CN114588444A CN 114588444 A CN114588444 A CN 114588444A CN 202210243153 A CN202210243153 A CN 202210243153A CN 114588444 A CN114588444 A CN 114588444A
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Abstract

本发明公开了呼吸机氧浓度和压力水平控制方法、装置、终端、介质，包括：确定呼吸机的吸气氧浓度控制回路，吸气压力水平控制回路；建立吸气氧浓度‑吸气压力水平控制***的数学模型；确定主控回路的传递函数；确定耦合回路的传递函数；建立前馈补偿控制函；根据主控回路的传递函数、耦合回路的传递函数、前馈补偿控制函数输出呼吸机控制数学模型；本发明通过确定主控回路的传递函数，并根据耦合影响，确定耦合函数，并根据上述函数建立对应的前馈补偿控制函数，使其在输出对吸气氧浓度或吸气压力水平的控制函数前进行相关的补偿，从而将相互耦合的两个控制***转换为相互独立无耦合的两个单变量子***，解除相互干扰的问题。

Description

呼吸机氧浓度和压力水平控制方法、装置、终端、介质
技术领域
本发明涉及医疗器械控制检测领域，具体涉及一种呼吸机氧浓度和压力水平控制方法、装置、终端、介质。
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。
一般的呼吸机在使用的过程中，需要控制的参数包括潮气量、呼吸频率、吸气氧浓度、吸气压力水平、气道峰压、呼气末正压等。
其中，吸气氧浓度为患者吸入的混合气体中，氧气所占的体积百分比，吸气压力水平为在压力控制或压力支持模式下，呼吸机以该设定压力为患者送气。
在使用中需要对吸气氧浓度和吸气压力水平进行调节，但是一般在进行吸气氧浓度的调节时，会对吸气压力水平造成影响；在进行吸气压力水平的调节时，会对吸气氧浓度造成影响，从而使得调节的可控性降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是调节吸气氧浓度和调节吸气压力水平会相互造成干扰，目的在于提供一种呼吸机氧浓度和压力水平控制方法、装置、终端、介质，解决了吸气氧浓度和吸气压力水平的耦合问题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种呼吸机氧浓度和压力水平控制方法，包括：
确定呼吸机的吸气氧浓度控制回路，吸气压力水平控制回路；
建立吸气氧浓度-吸气压力水平控制***的数学模型；
确定吸气氧浓度的主控回路的传递函数，以及吸气压力水平的主控回路的传递函数；
确定吸气氧浓度的耦合回路的传递函数，以及吸气压力水平的耦合回路的传递函数；
建立吸气氧浓度的前馈补偿控制函数，以及吸气压力水平的前馈补偿控制函数；
根据主控回路的传递函数、耦合回路的传递函数、前馈补偿控制函数输出呼吸机控制数学模型。
具体地，所述吸气氧浓度控制回路包括：
第一控制器，其用于输入吸气氧浓度设定值；
升氧装置，其用于升高呼吸机内吸气氧浓度，且通过所述第一控制器输入的控制信号控制；
浓度传感器，其用于获取呼吸机的吸气氧浓度值；
所述吸气压力水平控制回路包括：
第二控制器，其用于输入吸气压力水平设定值；
升压装置，其用于升高呼吸机内吸气压力水平，且通过所述第二控制器输入的控制信号控制；
压力传感器，其用于获取呼吸机的吸气压力水平值。
具体地，建立吸气氧浓度-吸气压力水平控制***的数学模型的方法包括：
确定呼吸机稳定运行情况下的初始吸气氧浓度c0、初始吸气压力水平p0、升氧装置工作功率wc0、升压装置工作功率wp0；
通过阶跃响应法建立升氧装置-吸气氧浓度模型；
通过阶跃响应法建立升氧装置-吸气压力水平模型；
通过阶跃响应法建立升压装置-吸气压力水平模型；
通过阶跃响应法建立升压装置-吸气氧浓度模型；
建立吸气氧浓度-吸气压力水平控制***的独立数学模型。
具体地，通过阶跃响应法建立升氧装置-吸气氧浓度模型的方法为：
关闭升压装置；
升氧装置工作功率阶跃至wc1，wc1＝n·wc0，其中n不小于1；
获取浓度传感器读取的吸气氧浓度连续响应曲线；
在连续响应曲线内选取不同的两个时间点，并建立方程：
Figure BDA0003543561790000041
其中，y(c)为连续响应曲线内的选定点的吸气氧浓度，y*(c)为y(c)的无量纲；C1为选定点的氧浓度差值；a1、b1为***常数；y(c∞)为最终吸气氧浓度值；
求解后获得升氧装置-吸气氧浓度模型：
Figure BDA0003543561790000042
通过阶跃响应法建立升压装置-吸气压力水平模型的方法为：
关闭升氧装置；
升压装置工作功率阶跃至wp1，wp1＝n·wp0，其中n不小于1；
获取压力传感器读取的吸气压力水平连续响应曲线；
在连续响应曲线内选取不同的两个时间点，并建立方程：
Figure BDA0003543561790000051
其中，y(p)为连续响应曲线内的选定点的吸气氧浓度，y*(p)为y(c)的无量纲；C2为选定点的压力水平差值；a2、b2为***常数；y(p∞)为最终吸气压力水平值；
求解后获得升压装置-吸气压力水平模型：
Figure BDA0003543561790000052
通过阶跃响应法建立升氧装置-吸气压力水平模型的方法为：
关闭升压装置；
升氧装置工作功率阶跃至wc1，wc1＝n·wc0，其中n不小于1；
获取压力传感器读取的吸气压力水平连续响应曲线；
在连续响应曲线内选取不同的两个时间点，并建立方程：
Figure BDA0003543561790000061
其中，y(p)为连续响应曲线内的选定点的吸气氧浓度，y*(p)为y(c)的无量纲；C3为选定点的压力水平差值；a3、b3为***常数；y(p∞)为最终吸气压力水平值；
求解后获得升氧装置-吸气压力水平模型：
Figure BDA0003543561790000071
通过阶跃响应法建立升压装置-吸气氧浓度模型的方法为：
关闭升氧装置；
升压装置工作功率阶跃至wp1，wp1＝n·wp0，其中n不小于1；
获取浓度传感器读取的吸气氧浓度连续响应曲线；
在连续响应曲线内选取不同的两个时间点，并建立方程：
Figure BDA0003543561790000072
其中，y(c)为连续响应曲线内的选定点的吸气氧浓度，y*(c)为y(c)的无量纲；C4为选定点的氧浓度差值；a4、b4为***常数；y(c∞)为最终吸气氧浓度值；
求解后获得升压装置-吸气氧浓度模型：
Figure BDA0003543561790000081
建立吸气氧浓度-吸气压力水平控制***的独立数学模型：
Figure BDA0003543561790000082
具体地，确定吸气氧浓度的主控回路的传递函数为A11(s)，吸气压力水平的主控回路的传递函数A21(s)，吸气氧浓度的耦合回路的传递函数A12(s)，吸气压力水平的耦合回路的传递函数A22(s)；
建立吸气氧浓度-吸气压力水平控制***的控制模型：
Figure BDA0003543561790000083
式中，N1(s)为向第一控制器输入的控制函数，N2(s)为向第二控制器输入的控制函数，M1(s)为第一控制器输出的控制函数，M2(s)为第二控制器输出的控制函数，B1(s)为第一控制器的前馈补偿函数，B2(s)为第二控制器的前馈补偿函数；
建立解耦后的***控制模型：
Figure BDA0003543561790000091
代入后解得：
吸气氧浓度的前馈补偿控制函数
Figure BDA0003543561790000092
吸气压力水平的前馈补偿控制函数
Figure BDA0003543561790000093
进一步，呼吸机控制数学模型为：
Figure BDA0003543561790000094
一种呼吸机氧浓度和压力水平控制装置，包括：
建模模块，其用于建立吸气氧浓度-吸气压力水平控制***的数学模型；
主控模块，其用于确定吸气氧浓度的主控回路的传递函数，以及吸气压力水平的主控回路的传递函数；
耦合模块，其用于确定吸气氧浓度的耦合回路的传递函数，以及吸气压力水平的耦合回路的传递函数；
补偿模块，其用于建立吸气氧浓度的前馈补偿控制函数，以及吸气压力水平的前馈补偿控制函数；
控制模块，其用于根据主控回路的传递函数、耦合回路的传递函数、前馈补偿控制函数输出呼吸机控制数学模型。
具体地，所述建模模块包括：
确认模块，其用于确定呼吸机稳定运行情况下的初始吸气氧浓度c0、初始吸气压力水平p0、升氧装置工作功率wc0、升压装置工作功率wp0；
第一建模模块，其用于通过阶跃响应法建立升氧装置-吸气氧浓度模型；
第二建模模块，其用于通过阶跃响应法建立升氧装置-吸气压力水平模型；
第三建模模块，其用于通过阶跃响应法建立升压装置-吸气压力水平模型；
第四建模模块，其用于通过阶跃响应法建立升压装置-吸气氧浓度模型；
第五建模模块，其用于建立吸气氧浓度-吸气压力水平控制***的独立数学模型。
一种呼吸机氧浓度和压力水平控制终端，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的呼吸机氧浓度和压力水平控制方法的步骤。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现实现上述的呼吸机氧浓度和压力水平控制方法的步骤。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明通过确定控制吸气氧浓度的主控回路的传递函数和控制吸气压力水平的主控回路的传递函数，并根据吸气氧浓度和吸气压力水平之间的耦合影响，确定控制吸气氧浓度时对吸气压力水平的耦合函数，控制吸气压力水平时对吸气氧浓度的耦合函数，并根据上述函数建立对应的前馈补偿控制函数，使其在输出对吸气氧浓度或吸气压力水平的控制函数前进行相关的补偿，从而将相互耦合的两个控制***转换为相互独立无耦合的两个单变量子***，解除相互干扰的问题。
附图说明
附图示出了本发明的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本发明的原理，其中包括了这些附图以提供对本发明的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
图1是根据本发明所述的一种呼吸机氧浓度和压力水平控制方法的流程示意图。
图2是根据本发明所述的建立吸气氧浓度-吸气压力水平控制***的数学模型的方法的流程示意图。
图3是根据本发明所述的通过阶跃响应法建立升氧装置-吸气氧浓度模型的方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。
另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。
在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
实施例一
如图1所示，一种呼吸机氧浓度和压力水平控制方法，包括：
第一步，确定呼吸机的吸气氧浓度控制回路，吸气压力水平控制回路；
即在进行控制之前，需要对呼吸机的吸气氧浓度和吸气压力水平进行确定，本实施例提供相关的控制回路。
吸气氧浓度控制回路包括第一控制器、升氧装置和浓度传感器。
第一控制器用于输入吸气氧浓度设定值，即一般情况下第一控制器与主控回路器连接，且也可以为主控回路器的内的一个模块，使用者通过向第一控制器输入需要的吸气氧浓度设定值，第一控制器在接收到输入的吸气氧浓度设定值后，会根据后续的设定向升氧装置输出相关的控制函数。
升氧装置用于升高呼吸机内吸气氧浓度，且通过第一控制器输入的控制信号控制，一般情况下升氧装置为氧气发生器或者氧气瓶等可以提供氧气的装置，该装置接受到第一控制器发出的控制信号后，控制相关的氧气浓度的输出。
浓度传感器用于获取呼吸机的吸气氧浓度值，升氧装置和升压装置的操作均可以使氧浓度发生改变，因此需要通过浓度传感器对呼吸机输出的氧浓度进行实时测量。
吸气压力水平控制回路包括第二控制器、升压装置和压力传感器。
第二控制器用于输入吸气压力水平设定值，即一般情况下第二控制器与主控回路器连接，且也可以为主控回路器的内的一个模块，使用者通过向第二控制器输入需要的吸气压力水平设定值，第二控制器在接收到输入的吸气压力水平设定值后，会根据后续的设定向升压装置输出相关的控制函数。
升压装置用于升高呼吸机内吸气压力水平，且通过第二控制器输入的控制信号控制，一般情况下升压装置为输入空气的压力泵，该装置接受到第二控制器发出的控制信号后，向呼吸机输出具有一定压力的压缩空气。
压力传感器用于获取呼吸机的吸气压力水平值，升氧装置和升压装置的操作均可以使压力水平发生改变，因此需要通过压力传感器对呼吸机输出的压力水平进行实时测量。
第二步，建立吸气氧浓度-吸气压力水平控制***的数学模型，在本实施例中，数学模型的建立通过阶跃响应法建立，即对被控制的对象(本实施例中吸气氧浓度和吸气压力水平)的执行设备(本实施例为升氧装置和升压装置)施加一个扰动信号，然后对被控制对象的连续变化曲线进行测量，最好得到传递函数，如图2所示，具体方法如下：
1、在进行阶跃之前，需要确定***的状态，即确定呼吸机稳定运行情况下的初始吸气氧浓度c0、初始吸气压力水平p0、升氧装置工作功率wc0、升压装置工作功率wp0；
2、通过阶跃响应法建立升氧装置-吸气氧浓度模型，即确定升氧装置的工作功率变化对吸气氧浓度的影响。
3、通过阶跃响应法建立升氧装置-吸气压力水平模型，即确定升氧装置的工作功率变化对吸气压力水平的影响。
4、通过阶跃响应法建立升压装置-吸气压力水平模型，即确定升压装置的工作功率变化对吸气压力水平的影响。
5、通过阶跃响应法建立升压装置-吸气氧浓度模型，即确定升压装置的工作功率变化对吸气氧浓度的影响。
6、建立吸气氧浓度-吸气压力水平控制***的独立数学模型，铜通过建立上述四个模型，并将其矩阵化，获得独立数学模型。
第三步，确定吸气氧浓度的主控回路的传递函数，以及吸气压力水平的主控回路的传递函数。
吸气氧浓度的主要控制执行设备仍然为升氧装置，因此升氧装置-吸气氧浓度模型即为吸气氧浓度的主控回路的传递函数。
吸气压力水平的主要控制执行设备仍然为升压装置，因此升压装置-吸气压力水平模型即为吸气压力水平的主控回路的传递函数。
第四步，确定吸气氧浓度的耦合回路的传递函数，以及吸气压力水平的耦合回路的传递函数；
在升氧装置的工作功率发生改变时，在改变吸气氧浓度的情况下，也会对吸气压力水平造成扰动，因此升氧装置-吸气压力水平模块即为吸气压力水平的耦合回路的传递函数。
在升压装置的工作效率发生改变时，在改变吸气压力水平的情况下，也会对吸气氧浓度造成扰动，因此升压装置-吸气氧浓度模型即为吸气氧浓度的耦合回路的传递函数。
第五步，建立吸气氧浓度的前馈补偿控制函数，以及吸气压力水平的前馈补偿控制函数。
对于呼吸机中的吸气氧浓度控制回路和吸气压力水平控制回路之间的耦合问题，通过加入两个前馈补偿控制函数使整个呼吸器的吸气氧浓度-吸气压力水平传递模型为对角形势，解除吸气氧浓度控制回路和吸气压力水平控制回路之间的干扰性。
第六步，根据主控回路的传递函数、耦合回路的传递函数、前馈补偿控制函数输出呼吸机控制数学模型。
通过对主控回路和耦合回路的前馈补偿，即达到了解耦的效果，也可以实现对控制的快速响应。
在解耦后，调节吸气氧浓度时不会对吸气压力水平造成干扰，调节吸气压力水平时也不会对吸气氧浓度造成干扰。
实施例二
本实施例对实施例一中第二步进行具体的说明。
如图3所示，对第2步中描述的通过阶跃响应法建立升氧装置-吸气氧浓度模型的方法为：
21、关闭升压装置，即升压装置不在对呼吸机提供压缩空气。
22、升氧装置工作功率阶跃至wc1，wc1＝n·wc0，其中n不小于1，即提升升氧装置的工作效率，使升氧装置产出的氧气浓度增加，本实施例中，n的取值以大于2为佳。
23、获取浓度传感器读取的吸气氧浓度连续响应曲线，通过浓度传感器和计时器持续获得呼吸机内的吸入氧浓度，并在吸气氧浓度稳定后，以时间为横坐标，吸气氧浓度为纵坐标绘制连续响应曲线。
24、上述方法建立的为一阶***，因此通过两点法(即在连续响应曲线内选取不同的两个时间点)，并建立方程：
Figure BDA0003543561790000161
其中，y(c)为连续响应曲线内的选定点的吸气氧浓度，y*(c)为y(c)的无量纲；C1为选定点的氧浓度差值；a1、b1为***常数；y(c∞)为最终吸气氧浓度值(处于稳定装置的吸气氧浓度值)；c1对应的为第一个时间点，c2对应的为第二个时间点。
25、令y*(c1)和y*(c2)等于设定值，本实施例中可以分别为0.3和0.6，求解后获得升氧装置-吸气氧浓度模型：
Figure BDA0003543561790000162
对于第3步中描述的通过阶跃响应法建立升压装置-吸气压力水平模型的方法与第2步中的工作原理类似，此处不再对其进行赘述，方法为：
31、关闭升氧装置；
32、升压装置工作功率阶跃至wp1，wp1＝n·wp0，其中n不小于1；
33、获取压力传感器读取的吸气压力水平连续响应曲线；
34、在连续响应曲线内选取不同的两个时间点，并建立方程：
Figure BDA0003543561790000171
其中，y(p)为连续响应曲线内的选定点的吸气氧浓度，y*(p)为y(c)的无量纲；C2为选定点的压力水平差值；a2、b2为***常数；y(p∞)为最终吸气压力水平值；
35、求解后获得升压装置-吸气压力水平模型：
Figure BDA0003543561790000181
对于第4步中描述的通过阶跃响应法建立升氧装置-吸气压力水平模型的方法与第2步中的工作原理类似，此处不再对其进行赘述，方法为：
41、关闭升压装置；
42、升氧装置工作功率阶跃至wc1，wc1＝n·wc0，其中n不小于1；
43、获取压力传感器读取的吸气压力水平连续响应曲线；
44、在连续响应曲线内选取不同的两个时间点，并建立方程：
Figure BDA0003543561790000182
其中，y(p)为连续响应曲线内的选定点的吸气氧浓度，y*(p)为y(c)的无量纲；C3为选定点的压力水平差值；a3、b3为***常数；y(p∞)为最终吸气压力水平值；
45、求解后获得升氧装置-吸气压力水平模型：
Figure BDA0003543561790000191
对于第5步中描述的通过阶跃响应法建立升压装置-吸气氧浓度模型的方法为与第2步中的工作原理类似，此处不再对其进行赘述，方法为：
51、关闭升氧装置；
52、升压装置工作功率阶跃至wp1，wp1＝n·wp0，其中n不小于1；
53、获取浓度传感器读取的吸气氧浓度连续响应曲线；
54、在连续响应曲线内选取不同的两个时间点，并建立方程：
Figure BDA0003543561790000201
其中，y(c)为连续响应曲线内的选定点的吸气氧浓度，y*(c)为y(c)的无量纲；C4为选定点的氧浓度差值；a4、b4为***常数；y(c∞)为最终吸气氧浓度值；
55、求解后获得升压装置-吸气氧浓度模型：
Figure BDA0003543561790000202
并在求得第2步、第3步、第4步、第5步中的四个独立数学模型后，建立吸气氧浓度-吸气压力水平控制***的独立数学模型：
Figure BDA0003543561790000211
实施例三
通过实施例二求得了对应的数学模型，确定实施例一中第三步和第四步中需要确定的传递函数。
吸气氧浓度的主控回路的传递函数为A11(s)，吸气压力水平的主控回路的传递函数A21(s)，吸气氧浓度的耦合回路的传递函数A12(s)，吸气压力水平的耦合回路的传递函数A22(s)。
为了而实现输入控制传递函数和输出控制传递函数的解耦，本实施例中：
首先，建立吸气氧浓度-吸气压力水平控制***的控制模型：
Figure BDA0003543561790000212
式中，N1(s)为向第一控制器输入的控制函数，N2(s)为向第二控制器输入的控制函数，M1(s)为第一控制器输出的控制函数，M2(s)为第二控制器输出的控制函数，B1(s)为第一控制器的前馈补偿函数，B2(s)为第二控制器的前馈补偿函数；
其次，因为最终目的是：升氧装置的工作效率改变不不影响吸气压力水平，升压装置的工作效率改变不影响吸气氧浓度，因此建立解耦后的***控制模型：
Figure BDA0003543561790000221
将解耦后的***控制模型代入解耦前的***控制模型，其中E1(s)和E2(s)为矩阵求解的中间参考矩阵，不影响最终的结果，因此最终求解得：
吸气氧浓度的前馈补偿控制函数
Figure BDA0003543561790000222
吸气压力水平的前馈补偿控制函数
Figure BDA0003543561790000223
最后，将B1(s)和B2(s)代入解耦前和解耦后的控制***模型，获得呼吸机控制数学模型为：
Figure BDA0003543561790000224
在需要改变吸气氧浓度或者吸气压力水平时，将设定值输入至主控回路器，通过第一控制器和第二控制器改变传递函数后对升氧装置和升压装置的控制，可以避免产生干扰。
实施例四
一种呼吸机氧浓度和压力水平控制装置，包括建模模块、主控模块、耦合模块、补偿模块、控制模块。其可以为分开独立的处理器，也可以为一个处理器内的不同处理程序。
建模模块用于建立吸气氧浓度-吸气压力水平控制***的数学模型；
主控模块用于确定吸气氧浓度的主控回路的传递函数，以及吸气压力水平的主控回路的传递函数；
耦合模块用于确定吸气氧浓度的耦合回路的传递函数，以及吸气压力水平的耦合回路的传递函数；
补偿模块用于建立吸气氧浓度的前馈补偿控制函数，以及吸气压力水平的前馈补偿控制函数；
控制模块用于根据主控回路的传递函数、耦合回路的传递函数、前馈补偿控制函数输出呼吸机控制数学模型。
建模模块包括确认模块、第一建模模块、第二建模模块、第三建模模块、第四建模模块、第五建模模块。其可以为分开独立的处理器，也可以为一个处理器内的不同处理程序。
确认模块用于确定呼吸机稳定运行情况下的初始吸气氧浓度c0、初始吸气压力水平p0、升氧装置工作功率wc0、升压装置工作功率wp0；
第一建模模块用于通过阶跃响应法建立升氧装置-吸气氧浓度模型；
第二建模模块用于通过阶跃响应法建立升氧装置-吸气压力水平模型；
第三建模模块用于通过阶跃响应法建立升压装置-吸气压力水平模型；
第四建模模块用于通过阶跃响应法建立升压装置-吸气氧浓度模型；
第五建模模块用于建立吸气氧浓度-吸气压力水平控制***的独立数学模型。
实施例五
一种呼吸机氧浓度和压力水平控制终端，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述的呼吸机氧浓度和压力水平控制方法的步骤。
存储器可用于存储软件程序以及模块,处理器通过运行存储在存储器的软件程序以及模块,从而执行终端的各种功能应用以及数据处理。存储器可主要包括存储程序区和存储数据区,其中,存储程序区可存储操作***、至少一个功能所需的执行程序等。
存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外,存储器可以包括高速随机存取存储器,还可以包括非易失性存储器,例如至少一个磁盘存储器件,闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，计算机程序被处理器执行时实现实现上述的呼吸机氧浓度和压力水平控制方法的步骤。
不失一般性，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和通信介质。计算机存储介质包括以用于存储诸如计算机可读指令数据结构,程序模块或其他数据等信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质。计算机存储介质包括RAM、ROM、EPROM、EEPROM、闪存或其他固态存储其技术,CD-ROM、DVD或其他光学存储﹑磁带盒﹑磁带﹑磁盘存储或其他磁性存储设备。当然,本领域技术人员可知计算机存储介质不局限于上述几种。上述的***存储器和大容量存储设备可以统称为存储器。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例/方式或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示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。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述发明的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种呼吸机氧浓度和压力水平控制方法，其特征在于，包括：
确定呼吸机的吸气氧浓度控制回路，吸气压力水平控制回路；
建立吸气氧浓度-吸气压力水平控制***的数学模型；
确定吸气氧浓度的主控回路的传递函数，以及吸气压力水平的主控回路的传递函数；
确定吸气氧浓度的耦合回路的传递函数，以及吸气压力水平的耦合回路的传递函数；
建立吸气氧浓度的前馈补偿控制函数，以及吸气压力水平的前馈补偿控制函数；
根据主控回路的传递函数、耦合回路的传递函数、前馈补偿控制函数输出呼吸机控制数学模型。
2.根据权利要求1所述的一种呼吸机氧浓度和压力水平控制方法，其特征在于，所述吸气氧浓度控制回路包括：
第一控制器，其用于输入吸气氧浓度设定值；
升氧装置，其用于升高呼吸机内吸气氧浓度，且通过所述第一控制器输入的控制信号控制；
浓度传感器，其用于获取呼吸机的吸气氧浓度值；
所述吸气压力水平控制回路包括：
第二控制器，其用于输入吸气压力水平设定值；
升压装置，其用于升高呼吸机内吸气压力水平，且通过所述第二控制器输入的控制信号控制；
压力传感器，其用于获取呼吸机的吸气压力水平值。
3.根据权利要求2所述的一种呼吸机氧浓度和压力水平控制方法，其特征在于，建立吸气氧浓度-吸气压力水平控制***的数学模型的方法包括：
确定呼吸机稳定运行情况下的初始吸气氧浓度c0、初始吸气压力水平p0、升氧装置工作功率wc0、升压装置工作功率wp0；
通过阶跃响应法建立升氧装置-吸气氧浓度模型；
通过阶跃响应法建立升氧装置-吸气压力水平模型；
通过阶跃响应法建立升压装置-吸气压力水平模型；
通过阶跃响应法建立升压装置-吸气氧浓度模型；
建立吸气氧浓度-吸气压力水平控制***的独立数学模型。
4.根据权利要求3所述的一种呼吸机氧浓度和压力水平控制方法，其特征在于，通过阶跃响应法建立升氧装置-吸气氧浓度模型的方法为：
关闭升压装置；
升氧装置工作功率阶跃至wc1，wc1＝n·wc0，其中n不小于1；
获取浓度传感器读取的吸气氧浓度连续响应曲线；
在连续响应曲线内选取不同的两个时间点，并建立方程：
Figure FDA0003543561780000031
其中，y(c)为连续响应曲线内的选定点的吸气氧浓度，y*(c)为y(c)的无量纲；C1为选定点的氧浓度差值；a1、b1为***常数；y(c∞)为最终吸气氧浓度值；
求解后获得升氧装置-吸气氧浓度模型：
Figure FDA0003543561780000032
通过阶跃响应法建立升压装置-吸气压力水平模型的方法为：
关闭升氧装置；
升压装置工作功率阶跃至wp1，wp1＝n·wp0，其中n不小于1；
获取压力传感器读取的吸气压力水平连续响应曲线；
在连续响应曲线内选取不同的两个时间点，并建立方程：
Figure FDA0003543561780000041
其中，y(p)为连续响应曲线内的选定点的吸气氧浓度，y*(p)为y(c)的无量纲；C2为选定点的压力水平差值；a2、b2为***常数；y(p∞)为最终吸气压力水平值；
求解后获得升压装置-吸气压力水平模型：
Figure FDA0003543561780000042
通过阶跃响应法建立升氧装置-吸气压力水平模型的方法为：
关闭升压装置；
升氧装置工作功率阶跃至wc1，wc1＝n·wc0，其中n不小于1；
获取压力传感器读取的吸气压力水平连续响应曲线；
在连续响应曲线内选取不同的两个时间点，并建立方程：
Figure FDA0003543561780000051
其中，y(p)为连续响应曲线内的选定点的吸气氧浓度，y*(p)为y(c)的无量纲；C3为选定点的压力水平差值；a3、b3为***常数；y(p∞)为最终吸气压力水平值；
求解后获得升氧装置-吸气压力水平模型：
Figure FDA0003543561780000061
通过阶跃响应法建立升压装置-吸气氧浓度模型的方法为：
关闭升氧装置；
升压装置工作功率阶跃至wp1，wp1＝n·wp0，其中n不小于1；
获取浓度传感器读取的吸气氧浓度连续响应曲线；
在连续响应曲线内选取不同的两个时间点，并建立方程：
Figure FDA0003543561780000062
其中，y(c)为连续响应曲线内的选定点的吸气氧浓度，y*(c)为y(c)的无量纲；C4为选定点的氧浓度差值；a4、b4为***常数；y(c∞)为最终吸气氧浓度值；
求解后获得升压装置-吸气氧浓度模型：
Figure FDA0003543561780000071
建立吸气氧浓度-吸气压力水平控制***的独立数学模型：
Figure FDA0003543561780000072
5.根据权利要求4所述的一种呼吸机氧浓度和压力水平控制方法，其特征在于，确定吸气氧浓度的主控回路的传递函数为A11(s)，吸气压力水平的主控回路的传递函数A21(s)，吸气氧浓度的耦合回路的传递函数A12(s)，吸气压力水平的耦合回路的传递函数A22(s)；
建立吸气氧浓度-吸气压力水平控制***的控制模型：
Figure FDA0003543561780000073
式中，N1(s)为向第一控制器输入的控制函数，N2(s)为向第二控制器输入的控制函数，M1(s)为第一控制器输出的控制函数，M2(s)为第二控制器输出的控制函数，B1(s)为第一控制器的前馈补偿函数，B2(s)为第二控制器的前馈补偿函数；
建立解耦后的***控制模型：
Figure FDA0003543561780000081
代入后解得：
吸气氧浓度的前馈补偿控制函数
Figure FDA0003543561780000082
吸气压力水平的前馈补偿控制函数
Figure FDA0003543561780000083
6.根据权利要求5所述的一种呼吸机氧浓度和压力水平控制方法，其特征在于，呼吸机控制数学模型为：
Figure FDA0003543561780000084
7.一种呼吸机氧浓度和压力水平控制装置，其特征在于，包括：
建模模块，其用于建立吸气氧浓度-吸气压力水平控制***的数学模型；
主控模块，其用于确定吸气氧浓度的主控回路的传递函数，以及吸气压力水平的主控回路的传递函数；
耦合模块，其用于确定吸气氧浓度的耦合回路的传递函数，以及吸气压力水平的耦合回路的传递函数；
补偿模块，其用于建立吸气氧浓度的前馈补偿控制函数，以及吸气压力水平的前馈补偿控制函数；
控制模块，其用于根据主控回路的传递函数、耦合回路的传递函数、前馈补偿控制函数输出呼吸机控制数学模型。
8.根据权利要求7所述的一种呼吸机氧浓度和压力水平控制装置，其特征在于，所述建模模块包括：
确认模块，其用于确定呼吸机稳定运行情况下的初始吸气氧浓度c0、初始吸气压力水平p0、升氧装置工作功率wc0、升压装置工作功率wp0；
第一建模模块，其用于通过阶跃响应法建立升氧装置-吸气氧浓度模型；
第二建模模块，其用于通过阶跃响应法建立升氧装置-吸气压力水平模型；
第三建模模块，其用于通过阶跃响应法建立升压装置-吸气压力水平模型；
第四建模模块，其用于通过阶跃响应法建立升压装置-吸气氧浓度模型；
第五建模模块，其用于建立吸气氧浓度-吸气压力水平控制***的独立数学模型。
9.一种呼吸机氧浓度和压力水平控制终端，包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-6中任一项所述的方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的方法的步骤。
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