WO2017008549A1 - 一种呼吸机的闭环容量控制方法 - Google Patents

一种呼吸机的闭环容量控制方法 Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to the field of ventilators, and in particular to a closed loop capacity control method for a ventilator.
  • the capacity control (VCV) mode is the most traditional control mode; in the early stages of ventilator development, the VCV control mode has always dominated, and each type of ventilator has a VCV mode, but each type of ventilator The control algorithms are different.
  • the object of the present invention is to overcome the above-mentioned shortcomings of the capacity control method on the ventilator, and to provide a closed loop capacity control method for the ventilator, which has high control precision, fast adjustment time, no overshoot of the flow rate, and no The characteristics that lead to control imbalance.
  • the present invention provides a closed loop capacity control method for a ventilator, the method comprising: first generating a voltage-flow rate curve of a ventilator proportional valve, calculating a breath according to a ventilator actual capacity VT and an inhalation time T Set the inspiratory flow rate of the machine; let the initial control voltage set the voltage corresponding to the inspiratory flow rate in the voltage-flow rate curve, and then use the closed-loop control algorithm to calculate the voltage for controlling the inspiratory flow rate in a time-sharing manner, until the control voltage is applied, The gas flow rate meets the requirement to set the suction flow rate.
  • the method specifically includes:
  • Step 1) generating a voltage-flow rate curve of the ventilator proportional valve
  • Step 2) Calculate the inspiratory flow rate based on the actual capacity of the ventilator VT and the inspiratory time T:
  • VT is the actual capacity
  • T is the inhalation time
  • V is the inspiratory flow rate in units of ml/s
  • Step 3 Let the initial control voltage be the voltage corresponding to the inspiratory flow rate set in the voltage-flow rate curve, and use the closed-loop control algorithm to calculate the voltage for controlling the inspiratory flow rate in a time-consuming manner until the control voltage is real-time.
  • the inspiratory flow rate reaches the requirement to set the inspiratory flow rate;
  • Step 4) The ventilator enters a stable working state; the final control voltage of step 3) is obtained, and the proportional valve of the ventilator is controlled by the control voltage so that the flow rate satisfies the setting requirement.
  • the specific implementation process of the step 1) is: collecting the voltage of the proportional valve of the ventilator and the corresponding flow rate value every 0.2 ms when the ventilator is working normally, and performing linear fitting by using the least squares method to generate The voltage-flow rate curve of the ventilator proportional valve.
  • the step 3) specifically includes:
  • Step 302 control the proportional valve with the control voltage value P k-1 , and measure the flow velocity corresponding to the time t k-1 by the sensor to be V k-1 ;
  • Step 303) the control voltage value t calculated at time k P k:
  • V is the set flow rate
  • V k-1 is the flow rate measured by the sensor at time t k-1
  • P k-1 is the control voltage at time t k-1 , ie feed forward voltage
  • kp is the proportional coefficient
  • ki is The integral coefficients, up[k] and ui[k] are intermediate values
  • Step 304) with a control voltage t k P k of time proportional control valve, a sensor measuring the flow rate V t k at time k;
  • the threshold value is 2 ml/s.
  • the scaling factor of step 303) is 0.2.
  • the integral coefficient of step 303) is 0.005.
  • the method of the invention has the characteristics of controlling the flow rate precision
  • the method of the present invention adjusts the time quickly, and the generated flow rate does not overshoot and does not cause control misalignment.
  • Figure 1 is a schematic block diagram of an analog PID control system
  • FIG. 2 is a flow chart of a closed loop capacity control method of the ventilator of the present invention.
  • a method for controlling a closed loop capacity of a ventilator comprising:
  • Step 1) generating a voltage-flow rate curve of the ventilator proportional valve
  • the voltage of the ventilator proportional valve and the corresponding flow rate value are collected every 0.2 ms, and the linear fitting is performed by the least squares method to generate the voltage-flow rate curve of the ventilator proportional valve.
  • Step 2) Calculate the set inspiratory flow rate of the ventilator based on the actual capacity of the ventilator VT and the inspiratory time T:
  • VT is the actual capacity
  • T is the inhalation time
  • V is the inspiratory flow rate in units of ml/s
  • the capacity control is to ensure that the monitoring flow rate during the entire inhalation process is equal to the set flow rate, so that the actual given inspiratory tidal volume is very close to the set value VT.
  • Step 3 Let the initial control voltage be the voltage corresponding to the inspiratory flow rate set in the voltage-flow rate curve, and use the closed-loop control algorithm to calculate the voltage for controlling the inspiratory flow rate in a time-consuming manner until the control voltage is real-time.
  • the inspiratory flow rate meets the requirements for setting the inspiratory flow rate; specifically:
  • Step 302 control the proportional valve with the control voltage value P k-1 , and measure the flow velocity corresponding to the time t k-1 by the sensor to be V k-1 ;
  • t k -t k-1 0.03 s
  • Step 303) the control voltage value t calculated at time k P k:
  • V is the set flow rate
  • V k-1 is the flow rate measured by the sensor at time t k-1
  • P k-1 is the control voltage at time t k-1 , ie feed forward voltage
  • kp is the proportional coefficient, preferred value Is 0.2
  • ki is the integral coefficient, the preferred value is 0.005
  • up[k] and ui[k] are intermediate values
  • Step 304) with a control voltage t at time k P k proportional control valve, a flow rate sensor measuring time k V k t;
  • the threshold value is 2 ml/s
  • Step 4) The ventilator enters a stable working state; the control voltage is calculated by using step 303), and the flow rate of the proportional valve of the ventilator is used to meet the setting requirement.
  • the method of adjusting once per cycle the adjustment is very slow, such as setting 400, the first period of monitoring value is 300, the next cycle will slowly adjust upwards, such as 330, so it takes several cycles
  • the method of the present invention is controlled every 3 ms, so the flow rate can be adjusted to the set flow rate in a short time, and normally, the control target can be achieved in one cycle.

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Abstract

一种呼吸机的闭环容量控制方法，所述方法包括：首先生成呼吸机比例阀的电压-流速曲线，根据呼吸机的实际容量VT和吸气时间T计算呼吸机的设置吸气流速；令初始控制电压为在电压-流速曲线中设置吸气流速对应的电压，在吸气时间内，利用闭环控制算法分时计算控制吸气流速的电压，直至在该控制电压下，实时吸气流速达到设置吸气流速的要求。该方法控制流速精度高，调节时间快，产生的流速不会过冲，也不会导致控制失调。

Description

一种呼吸机的闭环容量控制方法 技术领域
本发明涉及呼吸机领域，特别涉及一种呼吸机的闭环容量控制方法。
背景技术
在呼吸机中，容量控制(VCV)模式是最传统的控制模式；在呼吸机发展初期，VCV控制模式一直占主导地位，每个种类的呼吸机都有VCV模式，但是每种类型的呼吸机的控制算法都不一样。
目前，有的呼吸机由于容量控制方法不完善，采用开环控制的方式，导致实际给出的潮气量远偏于设置值，这样会给呼吸机的使用者带来伤害，存在潜在的风险。
发明内容
本发明的目的在于克服目前呼吸机上的容量控制方法存在的上述缺陷，提出了一种呼吸机的闭环容量控制方法，该方法具有控制精度高，调节时间快，流速不会过冲，也不会导致控制失调的特点。
为了实现上述目的，本发明提供了一种呼吸机的闭环容量控制方法，所述方法包括：首先生成呼吸机比例阀的电压-流速曲线，根据呼吸机的实际容量VT和吸气时间T计算呼吸机的设置吸气流速；令初始控制电压为在电压-流速曲线中设置吸气流速对应的电压，然后利用闭环控制算法分时计算控制吸气流速的电压，直至在该控制电压下，实时吸气流速达到设置吸气流速的要求。
上述技术方案中，所述方法具体包括：
步骤1)生成呼吸机比例阀的电压-流速曲线；
步骤2)根据呼吸机的实际容量VT和吸气时间T计算设置吸气流速：
V＝VT/T
其中，VT为实际容量，T为吸气时间，V为吸气流速，单位ml/s；
步骤3)令初始控制电压为在电压-流速曲线中设置吸气流速对应的电压，在吸气时间内，利用闭环控制算法分时计算控制吸气流速的电压，直至在该控制电压下，实时吸气流速达到设置吸气流速的要求；
步骤4)呼吸机进入稳定工作状态；获取步骤3)最终的控制电压，并用该控制电压控制呼吸机的比例阀,使流速满足设置要求。
上述技术方案中，所述步骤1)的具体实现过程为：在呼吸机正常工作时，每隔0.2ms采集呼吸机比例阀的电压和对应的流速值，利用最小二乘法进行线性拟合，生成呼吸机比例阀的电压-流速曲线。
上述技术方案中，所述步骤3)具体包括：
步骤301)利用步骤1)生成的电压-流速曲线获得设置吸气流速V对应的电压，该电压值为初始t0时刻的控制电压值P0；令k＝1；
步骤302)用控制电压值Pk-1控制比例阀，利用传感器测量tk-1时刻对应的流速为Vk-1；
步骤303)计算tk时刻的控制电压值Pk：
up[k]＝kp×(V-Vk-1)+Pk-1
ui[k]＝ki×(V-Vk-1)
Pk＝up[k]+ui[k]
其中,V为设置流速，Vk-1为tk-1时刻的传感器测量出的流速，Pk-1为tk-1时刻的控制电压，即前馈电压；kp为比例系数，ki为积分系数，up[k]和ui[k]为中间值；
步骤304)用tk时刻的控制电压Pk控制比例阀，传感器测量tk时刻的流速Vk；
步骤305)判断Vk与设置流速V的差的绝对值是否小于阈值，如果判断结果是肯定的，进入步骤4)；否则，令k＝k+1；进入步骤303)。
上述技术方案中，所述阈值的取值为2ml/s。
上述技术方案中，步骤303)的比例系数的取值为0.2。
上述技术方案中，步骤303)的积分系数的取值为0.005
本发明的优点在于：
1、本发明的方法具有控制流速精度高的特点；
2、本发明的方法调节时间快，产生的流速不会过冲，也不会导致控制失调。
附图说明
图1为模拟PID控制***原理框图；
图2为本发明的呼吸机的闭环容量控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本方明做进一步详细的说明。
如图2所示，一种呼吸机闭环容量控制方法，所述方法包括：
步骤1)生成呼吸机比例阀的电压-流速曲线；
在呼吸机正常工作时，每隔0.2ms采集呼吸机比例阀的电压和对应的流速值，利用最小二乘法进行线性拟合，生成呼吸机比例阀的电压-流速曲线。
步骤2)根据呼吸机的实际容量VT和吸气时间T计算呼吸机的设置吸气流速：
V＝VT/T
其中，VT为实际容量，T为吸气时间，V为吸气流速，单位ml/s；
容量控制的就是保证整个吸气过程中的监测流速等于设置流速，这样就能保证实际给出的吸入潮气量与设置值VT非常接近。
步骤3)令初始控制电压为在电压-流速曲线中设置吸气流速对应的电压，在吸气时间内，利用闭环控制算法分时计算控制吸气流速的电压，直至在该控制电压下，实时吸气流速达到设置吸气流速的要求；具体包括：
步骤301)利用步骤1)生成的电压-流速曲线获得设置吸气流速V对应的电压，该电压值为初始t0时刻的控制电压值P0；令k＝1；
步骤302)用控制电压值Pk-1控制比例阀，利用传感器测量tk-1时刻对应的流速为Vk-1；
优选的，tk-tk-1＝0.03s；
步骤303)计算tk时刻的控制电压值Pk：
up[k]＝kp×(V-Vk-1)+Pk-1
ui[k]＝ki×(V-Vk-1)
Pk＝up[k]+ui[k]
其中,V为设置流速，Vk-1为tk-1时刻的传感器测量出的流速，Pk-1为tk-1时刻的控制电压，即前馈电压；kp为比例系数，优选值为0.2；ki为积分系数，优选值为0.005；up[k]和ui[k]为中间值；
步骤304)用tk时刻的控制电压Pk控制比例阀，传感器测量tk时刻的流速Vk；
步骤305)判断Vk与设置流速V的差的绝对值是否小于阈值，如果判断结果是肯定的，进入步骤4)；否则，令k＝k+1；进入步骤303)；
优选的，所述阈值的取值为2ml/s；
步骤4)呼吸机进入稳定工作状态；利用步骤303)计算控制电压，并用该控制电压则呼吸机的比例阀的流速满足设置要求。
实例1：
在呼吸机上，设置了四组参数，吸气时间为1s，容量设置分别为100ml，200ml，300ml，2000ml，分别记录下呼吸机的监测潮气量VT1以及检测设备的VT2，控制精度和测量精度都在误差范围内，具体数据见表1：
表1
Figure PCTCN2016079343-appb-000001
从上面结果可以看出，本发明的方法的控制精度很高，而且调节速度快，把潮气量从100调节到200，下一周期监测的潮气量VTI＝202。而在传统的VCV中，采用每周期调节一次的方法，调节非常慢，比如设置400，第一周期监测值为300，下一周期会慢慢往上调整，比如330，所以要经过好几个周期才能控制到要求的精度，而本发明的方法每3ms控制一次，所以在很短时间内可以把流速调节到设置流速，通常情况下，一个周期就能达到控制目标。

Claims (7)

  1. 一种呼吸机的闭环容量控制方法，所述方法包括：首先生成呼吸机比例阀的电压-流速曲线，根据呼吸机的实际容量VT和吸气时间T计算呼吸机的设置吸气流速；令初始控制电压为在电压-流速曲线中设置吸气流速对应的电压，在吸气时间内，利用闭环控制算法分时计算控制吸气流速的电压，直至在该控制电压下，实时吸气流速达到设置吸气流速的要求。
  2. 根据权利要求1所述的呼吸机的闭环容量控制方法，其特征在于，所述方法具体包括：
    步骤1)生成呼吸机比例阀的电压-流速曲线；
    步骤2)根据呼吸机的实际容量VT和吸气时间T计算设置吸气流速：
    V＝VT/T
    其中，VT为实际容量，T为吸气时间，V为吸气流速，单位ml/s；
    步骤3)令初始控制电压为在电压-流速曲线中设置吸气流速对应的电压，在吸气时间内，利用闭环控制算法分时计算控制吸气流速的电压，直至在该控制电压下，实时吸气流速达到设置吸气流速的要求；
    步骤4)呼吸机进入稳定工作状态；获取步骤3)最终的控制电压，并用该控制电压控制呼吸机的比例阀,使流速满足设置要求。
  3. 根据权利要求2所述的呼吸机的闭环容量控制方法，其特征在于，所述步骤1)的具体实现过程为：在呼吸机正常工作时，每隔0.2ms采集呼吸机比例阀的电压和对应的流速值，利用最小二乘法进行线性拟合，生成呼吸机比例阀的电压-流速曲线。
  4. 根据权利要求2所述的呼吸机的闭环容量控制方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括：
    步骤301)利用步骤1)生成的电压-流速曲线获得设置吸气流速V对应的电压，该电压值为初始t0时刻的控制电压值P0；令k＝1；
    步骤302)用控制电压值Pk-1控制比例阀，利用传感器测量tk-1时刻对应的流速为Vk-1；
    步骤303)计算tk时刻的控制电压值Pk：
    up[k]＝kp×(V-Vk-1)+Pk-1
    ui[k]＝ki×(V-Vk-1)
    Pk＝up[k]+ui[k]
    其中,V为设置流速，Vk-1为tk-1时刻的传感器测量出的流速，Pk-1为tk-1时刻的控制电压，即前馈电压；kp为比例系数，ki为积分系数，up[k]和ui[k]为中间值；
    步骤304)用tk时刻的控制电压Pk控制比例阀，传感器测量tk时刻的流速Vk；
    步骤305)判断Vk与设置流速V的差的绝对值是否小于阈值，如果判断结果是肯定的，进入步骤4)；否则，令k＝k+1；进入步骤303)。
  5. 根据权利要求4所述的呼吸机的闭环容量控制方法，其特征在于，所述阈值的取值为2ml/s。
  6. 根据权利要求4所述的呼吸机的闭环容量控制方法，其特征在于，步骤303)的比例系数的取值为0.2。
  7. 根据权利要求4所述的呼吸机的闭环容量控制方法，其特征在于，步骤303)的积分系数的取值为0.005。
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