基于自适应控制策略的医用呼吸机控制器设计

冯啸天

摘要    本文基于自适应控制策略对医用呼吸机的控制原理、控制规则以及控制器核心硬件的相关设计问题进行了详细分析，结果表明医用呼吸机控制器模糊自适应推理过程中常常遇到实时性差的问题，通过离线数据处理能够有效解决，运用最大隶属度法可以对模糊的输出量快速进行去模糊计算。

【关键词】医用呼吸机 自适应控制 控制器设计

1 医用呼吸机的结构及工作原理

临床医学研究技术手段的不断进步使得医用呼吸机的设计生产种类越来越具有多样化的发展趋势，而在医学领域，对其进行类别的划分最主要的渠道就是通过其结构和工作方式来分类。这些呼吸机有些需要依赖病人的自主呼吸，有些则适用于一些呼吸暂停等状况之中，分别为不同患者提供了与之病情相适应的医疗服务。而目前虽然在用的医用呼吸机种类繁多，但由于作用和功能的一致性，其基本结构和主要的工作原理也大致相同，一般情况下，呼吸机的组成可分为气路单元及电子单元两部分。

1.1 气路部分

对于医用呼吸机而言，气路单元是整个结构的核心，是发挥机器设备效用的最关键部分。在呼吸机气路部分中，其主要组成单元可分为：气路反馈系统、吸气和呼气控制阀、呼吸导管以及流量和压力传感器几个方面。其工作过程原理如下：

（1）流量和压力传感器对呼吸导管内的气体数值进行实时测量;

（2）测量结果与参考数值相比对;

（3）气路反馈系统针对数值比对差异对气体供给情况进行反馈，给出调节指令;

（4）吸气和呼气控制阀通过相应指令完成气体供给的调节控制;

（5）实现稳定、持续的气体供给。1.2电子单元控制部分

如果说气路单元是呼吸机的心脏，那么电子单元的地位则可比喻为呼吸机的大脑，它是气路单元包括整个呼吸机设备的主控平台，只有通过设计完备的电子单元才能實现整台设备的运行操控，而该单元也是由一系列部件共同组成，具体组成情况如下：

（1）基准电平，主要作用是实现与输入端的参数校对功能，提供设置的基准值;

（2）吸气和呼气调整单元，根据相应程序设定实现阀门控制功能;

（3）监测告警单元，即将各类传感器的传感信号与给定参数进行比对，一旦出现异常则产生告警;

（4）输出和输入控制部分;即外部接口，实现信息数据交换;

（5）电源和时钟单元，实现设备供电及时间统一、同步控制。

2 模糊自适应PID控制器设计

2.1 总体设计

模糊自适应PID控制器的关键输入量是呼吸机所接受的压力变量和流量变量，该变量是由两个偏差量组成的，分别是E和EC，其中一个是偏差量，一个是偏差变化量。该自适应控制器在经过模糊自适应推理后会得到一个输出量，这个输出量即为模糊自适应输出量H，这个输出量H是一种模糊自适应决策，这个模糊自适应决策的过程即是PID控制器进行变量趋势判断以及自适应决策的过程。通过多个步骤的非模糊化处理，H会转变为h（t）从而实现输出量的在线调整。

2.2 模糊推理设计

大量的实验经验表明，医用呼吸机的压力控制情况存在一定的规律性，经过归纳我们总结出该压力呼吸机的控制规则。我们在进行偏差量和偏差变化量进行模糊自适应处理后首先要进行的工作就是查询模糊自适应控制规则表，对模糊自适应控制规则表的查询是医用呼吸机实时自动控制的关键环节。实时进行模糊化自适应推理的运算规则是对偏差量和偏差变化量进行自适应模糊化，通过对本文所述的模糊自适应控制规则表的查询结果获取输出量的自适应模糊值，而后对自适应模糊值进行精确化处理，即完成了模糊自适应推理的过程。从表述上来看模糊自适应推理的过程相对来说比较复杂，在进行模糊化和精确化的过程中浪费了大量的时间并占用了较多的运算空间，虽然能够起到模糊控制的作用并实现自适应控制的功能，但该医用呼吸机控制系统的实时性就会大打折扣，鉴于医用呼吸机是一种需要实时性很强的医用设备，因此我们考虑采用离线处理的思路来解决实时性问题。

离线进行医用呼吸机自适应控制的模糊过程和精确过程无疑会减少没有意义的控制过程时间消耗，相对于在线处理来讲离线方式能够更加实时的对数据进行分析处理，实现医用呼吸机自适应实时控制的目的。

去模糊计算的过程中最关键的步骤是算法的选择，我们选择最大隶属度法开展计算过程，这种算法是从模糊子集中选取控制量，所选取的元素是被选子集中隶属度最大的元素。如果出现医用呼吸机自适应模糊控制输出量隶属度函数的极值不唯一，控制量则按照多个极值求平均数的方法来计算。

3 呼吸机控制系统硬件设计

本节主要对前向通道、后向通道以及微处理器电路接口的关键设计问题进行研究，其中前向通道设计针对数据采样电路开展相关工作，因此呼吸机控制系统硬件设计中前向通道硬件主要包含传感器和A/D转换电路。163PC01D48和163PC01D36为Honeywell公司生产的差压型传感器，同属于160系列，差别较小，均为带放大、温度补偿直插式差压传感器。

对A/D转换电路的硬件进行选择时应该综合考虑多种因素，主要依据转换的位数和速率，工作电压和基准电压等方面，该转换电路的选择依据和功能性原则是在能够完成预定功能的前提下使电路尽可能简单并且可靠。

本文所述的医用呼吸机需要采集的信号分为气道压力信号和流量差压信号两种，所涉及两种信号的传感器输出电压都在1V到6V之间，由于本系统测量信号属于压力信号，变化较慢，但系统设计要求需较高的采样率，考虑到需要两路信号，因此选用多路模拟开关AD7501和A/D转换器AD571结合来完成采样。

在进行微处理器单片机选择时，确保程序存储器不必扩展的情况下，另外考虑能兼容MCS-51指令系统和具有程序监控复位功能的硬件看门狗电路，本系统选用ATMEL公司的AT89C51RC单片机作为数据处理与控制芯片。

参考文献

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