呼吸机用涡轮风机的周期重复控制方法

966 编辑：中冶有色技术网来源：闽南理工学院

2024-04-22 11:43:54

权利要求书： 1.一种呼吸机用涡轮风机的周期重复控制方法，其特征在于，包括：首先，微控制器实时检测呼吸机送气口的气压和流量，从而获得佩戴者呼吸相的变换过程；其次，所述微控制器提取佩戴者的呼吸特征周期；再次，所述微控制器根据呼吸模式和设定的呼吸参数，计算得到期望的呼吸气压信号；然后，按照周期性重复控制算法，计算出涡轮风机的驱动电流，使得呼吸机送气口的气压按照期望的呼吸气压有规律地周期变化，实现呼吸机和佩戴者呼吸动作的同步适应，改善呼吸通气的顺畅和舒适感。

2.根据权利要求1所述的呼吸机用涡轮风机的周期重复控制方法，其特征在于，所述微控制器检测呼吸机送气口气压和流量的采样周期为Ts。

3.根据权利要求1所述的呼吸机用涡轮风机的周期重复控制方法，其特征在于，所述涡轮风机的输入输出特性中，输入为驱动电流ic，输出为呼吸机送气口的气压po。

4.根据权利要求1所述的呼吸机用涡轮风机的周期重复控制方法，其特征在于，为了能够克服外部周期性的气压扰动，控制呼吸机送气口的气压无误差地按照期望的呼吸气压周期性变化，在所述微控制器提取佩戴者的呼吸特征周期时，还执行以下操作：数字重复信号发生器以周期N为步长对控制偏差e进行累加，经过超前相位补偿环节zk和滤波器S(z)，并在下一个周期影响控制作用，达到对周期性期望信号的完全跟踪和对周期性干扰信号的完全消除。

5.根据权利要求4所述的呼吸机用涡轮风机的周期重复控制方法，其特征在于，所述数字重复信号发生器为正反馈环节Q(z)z-N。

6.根据权利要求4所述的呼吸机用涡轮风机的周期重复控制方法，其特征在于，在所述超前相位补偿环节zk中，k的取值是根据所述涡轮风机的控制特性在呼吸周期下呼吸机送气口的气压相对其输入驱动电流存在的相位滞后引起的时间延迟进行计算的，具体如下：其中，k为超前相位补偿环节的补偿量，Tθ为呼吸周期下呼吸机送气口的气压相对其输入驱动电流存在的相位滞后引起的时间延迟，Ts为微控制器检测呼吸机送气口气压和流量的采样周期。

7.根据权利要求4所述的呼吸机用涡轮风机的周期重复控制方法，其特征在于，所述滤波器S(z)为低通滤波器，幅频特性能够衰减所述涡轮风机的高频特性，并将所述涡轮风机的低频增益校正为1，从而提高控制的稳定性和抗干扰能力。

8.根据权利要求5所述的呼吸机用涡轮风机的周期重复控制方法，其特征在于，所述正反馈环节Q(z)z-N由低通滤波器Q(z)和周期延迟z-N构成，用于记录当前周期的控制偏差，并在下一个周期影响控制作用，从而在下一个周期起到超前控制的作用，并能使超前相位补偿环节zk能够得以实现。

9.根据权利要求8所述的呼吸机用涡轮风机的周期重复控制方法，其特征在于，所述低通滤波器Q(z)的值为小于1的常数，用于消除控制偏差，实现送气口的气压对期望呼吸气压的准确跟踪。

10.根据权利要求9所述的呼吸机用涡轮风机的周期重复控制方法，其特征在于，所述低通滤波器Q(z)的值为0.95。

说明书：一种呼吸机用涡轮风机的周期重复控制方法技术领域[0001] 本发明涉及医疗技术领域，特别涉及一种呼吸机用涡轮风机的周期重复控制方法。

背景技术[0002] 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。

[0003] 呼吸机是根据佩戴者的呼吸动作，对涡轮风机实施控制，从而调节送气压力，采用传统的瞬时控制方法，例如PID控制，模糊控制等，均存在一定的滞后，使得佩戴者在呼气和

吸气的换相过程，存在憋气或抽气的不适感，因此，消除对呼吸机涡轮风机控制的滞后性，

改善佩戴者使用呼吸机的舒适感，使佩戴者和呼吸机之间实现自适应的人机同步，是本领

域技术人员亟需解决的问题。

发明内容[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种呼吸机用涡轮风机的周期性重复控制方法，解决现有技术中佩戴者使用呼吸机时对佩戴者在呼气和吸气的换相过程存在憋气或抽气

的不适感的技术问题。

[0005] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：[0006] 一种呼吸机用涡轮风机的周期重复控制方法，包括：首先，微控制器实时检测呼吸机送气口的气压和流量，从而获得佩戴者呼吸相的变换过程；其次，所述微控制器提取佩戴

者的呼吸特征周期；再次，所述微控制器根据呼吸模式和设定的呼吸参数，计算得到期望的

呼吸气压信号；然后，按照周期性重复控制算法，计算出涡轮风机的驱动电流，使得呼吸机

送气口的气压按照期望的呼吸气压有规律地周期变化，实现呼吸机和佩戴者呼吸动作的同

步适应，改善呼吸通气的顺畅和舒适感。

[0007] 其中，所述微控制器检测呼吸机送气口气压和流量的采样周期为Ts。[0008] 其中，所述涡轮风机的输入输出特性中，输入为驱动电流ic，输出为呼吸机送气口的气压po。

[0009] 其中，为了能够克服外部周期性的气压扰动，控制呼吸机送气口的气压无误差地按照期望的呼吸气压周期性变化，在所述微控制器提取佩戴者的呼吸特征周期时，还执行

以下操作：

[0010] 数字重复信号发生器以周期N为步长对控制偏差e进行累加，经过超前相位补偿环节zk和滤波器S(z)，并在下一个周期影响控制作用，达到对周期性期望信号的完全跟踪和

对周期性干扰信号的完全消除。

[0011] 具体的，所述数字重复信号发生器为正反馈环节Q(z)z-N。[0012] 具体的，在所述超前相位补偿环节zk中，k的取值是根据所述涡轮风机的控制特性在呼吸周期下呼吸机送气口的气压相对其输入驱动电流存在的相位滞后引起的时间延迟

进行计算的，具体如下：

[0013][0014] 其中，k为超前相位补偿环节的补偿量，Tθ为呼吸周期下呼吸机送气口的气压相对其输入驱动电流存在的相位滞后引起的时间延迟，Ts为微控制器检测呼吸机送气口气压和

流量的采样周期。

[0015] 具体的，所述滤波器S(z)为低通滤波器，幅频特性能够衰减所述涡轮风机的高频特性，并将所述涡轮风机的低频增益校正为1，从而提高控制的稳定性和抗干扰能力。

[0016] 具体的，所述正反馈环节Q(z)z-N由低通滤波器Q(z)和周期延迟z-N构成，用于记录当前周期的控制偏差，并在下一个周期影响控制作用，从而在下一个周期起到超前控制的

作用，并能使超前相位补偿环节zk能够得以实现。

[0017] 具体的，所述低通滤波器Q(z)的值为小于1的常数，用于消除控制偏差，实现送气口的气压对期望呼吸气压的准确跟踪。

[0018] 更具体的，所述低通滤波器Q(z)的值为0.95。[0019] 采用上述技术方案，通过微控制器获得佩戴者呼吸相的变换过程，并提取佩戴者的呼吸特征周期，计算得到期望的呼吸气压信号，然后按照周期性重复控制算法，计算出涡

轮风机的驱动电流，使得呼吸机送气口的气压按照期望的呼吸气压有规律地周期变化，实

现呼吸机和佩戴者呼吸动作的同步适应，消除对呼吸机涡轮风机控制的滞后性，改善呼吸

通气的顺畅和舒适感。

附图说明[0020] 图1为本发明呼吸机用涡轮风机的周期重复控制方法的信号检测和特征提取框图；

[0021] 图2为本发明呼吸机用涡轮风机的周期重复控制方法的控制结构框图。具体实施方式[0022] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述

的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0023] 作为本发明的第一实施例，提出一种呼吸机用涡轮风机的周期重复控制方法，包括：首先，微控制器实时检测呼吸机送气口的气压和流量，从而获得佩戴者呼吸相的变换过

程；其次，微控制器提取佩戴者的呼吸特征周期；再次，微控制器根据呼吸模式和设定的呼

吸参数，计算得到期望的呼吸气压信号；然后，按照周期性重复控制算法，计算出涡轮风机

的驱动电流，使得呼吸机送气口的气压按照期望的呼吸气压有规律地周期变化。

[0024] 参考图1和图2，通过采用微控制器，以采样周期Ts实时检测呼吸机送气口的气压po和流量qo，从而获得佩戴者呼吸相的变换过程，并提取佩戴者的呼吸特征周期T，计算出

一个周期的采样点数N＝T/Ts，同时根据呼吸模式和设定的呼吸参数，计算得到期望的呼吸

气压信号Pi，然后按照周期性重复控制算法，计算出涡轮风机G(z)的驱动电流ic，使得呼吸

机送气口的气压po按照期望的呼吸气压pi有规律地周期变化，实现呼吸机和佩戴者呼吸动

作的同步适应，改善呼吸通气的顺畅和舒适感。

[0025] 进一步的，作为本发明的第二实施例，在第一实施例的基础上，采用的周期性重复控制算法，包含了由正反馈环节Q(z)z-N构成的数字重复信号发生器，以周期N为步长，对控

制偏差e进行累加，经过超前相位补偿环节zk和滤波器S(z)，并在下一个周期影响控制作

用，达到对周期性期望信号的完全跟踪和对周期性干扰信号的完全消除，因此，能够克服外

部周期性的气压扰动Pd，控制呼吸机送气口的气压po无误差地按照期望的呼吸气压pi周期

性变化。

[0026] 其中，在超前相位补偿环节zk中，k的取值是根据涡轮风机的控制特性在呼吸周期下呼吸机送气口的气压相对其输入驱动电流存在的相位滞后引起的时间延迟进行计算的，

具体如下：

[0027][0028] 其中，k为超前相位补偿环节的补偿量，Tθ为呼吸周期下呼吸机送气口的气压相对其输入驱动电流存在的相位滞后引起的时间延迟，Ts为微控制器检测呼吸机送气口气压和

流量的采样周期。

[0029] 具体的，滤波器S(z)为低通滤波器，幅频特性能够衰减涡轮风机的高频特性，并将涡轮风机的低频增益校正为1，从而提高控制的稳定性和抗干扰能力。

[0030] 具体的，正反馈环节Q(z)z-N由低通滤波器Q(z)和周期延迟z-N构成，具有周期延迟特性，用于记录控制偏差，并在下一个周期影响控制作用，从而在下一个周期起到超前控制

k

的作用，并能使超前相位补偿环节z能够得以实现。

[0031] 具体的，低通滤波器Q(z)的值为小于1的常数，用于消除控制偏差，实现送气口的气压对期望呼吸气压的准确跟踪。优选的，低通滤波器Q(z)的值为0.95为最佳。

[0032] 因此，相对于现有的瞬时控制方法，例如PID控制，模糊控制等，均存在一定的滞后问题，本发明通过微控制器获得佩戴者呼吸相的变换过程，并提取佩戴者的呼吸特征周期，

计算得到期望的呼吸气压信号，然后按照周期性重复控制算法，计算出涡轮风机的驱动电

流，使得呼吸机送气口的气压按照期望的呼吸气压有规律地周期变化，实现呼吸机和佩戴

者呼吸动作的同步适应，消除对呼吸机涡轮风机控制的滞后性，改善呼吸通气的顺畅和舒

适感。

[0033] 以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式

进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。