基于PID的高壓氧艙自動控制的設(shè)計與實現(xiàn)

張敦曉，胡慧軍，孟祥恩，潘樹義

解放軍總醫(yī)院第六醫(yī)學(xué)中心 高壓氧科，北京 100048

引言

高壓氧醫(yī)學(xué)是近些年發(fā)展起來的一門邊緣學(xué)科[1]。高壓氧治療是指在高氣壓環(huán)境下呼吸純氧或高濃度氧氣的治療方法，高壓氧治療質(zhì)量控制的重要因素之一是保持吸入高濃度的氧氣[2]。近年來，隨著醫(yī)療認識的提高，高壓氧治療已經(jīng)被臨床廣泛應(yīng)用于治療多種疾病，包括一氧化碳中毒、腦外傷、擠壓傷、放射性損傷、氣栓癥、糖尿病足潰瘍等，高壓氧治療的人數(shù)逐年增加[3-5]。

高壓氧艙是患者行高壓氧治療的關(guān)鍵設(shè)備。高壓氧艙按照加壓介質(zhì)分為空氣艙、純氧艙；按照治療人數(shù)分為多人艙、單人艙。而隨著高壓氧治療的推廣，高壓氧治療人數(shù)的增加，多人空氣艙、艙群已成為絕大多數(shù)醫(yī)院引進高壓氧艙的主要類型。

多人空氣艙、艙群形式的高壓氧艙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是一套包含氣源、氧源、艙體、電氣、消防、對講、視頻監(jiān)控、控制等的復(fù)合系統(tǒng)。為了適應(yīng)氧艙的復(fù)雜化復(fù)合稀土，氧艙的控制方法也從單一的手動控制逐漸向計算機自動控制普及，為提高氧艙控制的自動化程度，本研究設(shè)計了一套基于比例積分微分（Proportion Integral Differential，PID）的高壓氧艙自動控制系統(tǒng)。

1 算法

在國內(nèi)大部分高壓氧艙群的治療方案相對固定，高壓氧治療方案一般為1.6、2.0、2.5 ATA。氧艙自動控制的輸入量為實際艙壓與理想艙壓之間的偏差Δp，擾動量為供氣壓力、入艙人數(shù)、溫濕度。

目前，自動控制領(lǐng)域所研究的主要算法有PID 控制、非線性控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、智能控制等。PID 控制是一種經(jīng)典的、在實際控制應(yīng)用中最廣泛的方法，可通過比例（Proportion，P）、積分（Integral，I）、微分（Differential，D）的不同組合及其參數(shù)的選取獲得對線性系統(tǒng)較理想的控制效果[6-7]，其結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性突出、易于掌握、無需被控對象的精確數(shù)學(xué)模型就能獲得不錯的控制結(jié)果而廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)生產(chǎn)中[8-9]。PID 控制是比例-積分-微分控制的簡稱見公式(1)。

e(t)是系統(tǒng)的偏差，u(t)是輸出的調(diào)節(jié)量，Kp是比例增益，T、Ti、Td分別是采樣周期、積分、微分時間[10-13]。

PID 控制算法的離散化公式見(2)

Kp、Ki、Kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。比例用于加快系統(tǒng)響應(yīng)，過大的比例系數(shù)易使系統(tǒng)超調(diào)，產(chǎn)生振蕩；積分有利于減小超調(diào)、振蕩，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，但會使系統(tǒng)靜差消除時間變長；微分會提高系統(tǒng)抗擾動能力，但會降低系統(tǒng)抗噪聲能力。PID 控制算法原理圖如圖1 所示。

圖1 PID控制算法原理圖

高壓氧艙運行時供氣壓力由氣源的自動控制系統(tǒng)完成，氣源壓力值設(shè)定的最優(yōu)波動范圍一般為1.0～1.25 MPa，入艙人數(shù)基本相對固定，空調(diào)系統(tǒng)的介入使得氧艙的溫度范圍控制在18℃～26℃[14]，因此單一的輸入量和相對變化較小的擾動量決定了艙群的自動控制不需復(fù)雜的控制策略，PID 控制即可滿足高壓氧艙自動控制需求。

高壓氧艙自控運行的PID 控制算法采用艙內(nèi)實際壓力與理想曲線壓力之間的偏差Δp 作為輸入量，即e(k)= Δp，Kp*Δp 計算出比例增益，Ki*Δp 計算出積分增益，Kd*（Δp與上一個采樣周期的Δp 之間的差值）即Kd*[Δp(t)-Δp(t-1)]計算出微分增益，Kp*Δp+Ki*Δp+Kd*[Δp(t)-Δp(t-1)]計算得出當(dāng)前時間值系統(tǒng)應(yīng)該向執(zhí)行機構(gòu)輸出的調(diào)節(jié)值，因此高壓氧艙自動控制的核心在于Kp、Ki、Kd三個值的確定。

PID 控制算法中的Kp、Ki、Kd系數(shù)的確定通常有兩種方法：理論計算法和經(jīng)驗調(diào)試法。理論計算法適用于理想狀態(tài)下的極簡系統(tǒng)，而氧艙的擾動量不易測量或定量計算，因此理論計算法并不適用于氧艙的PID 控制算法系數(shù)的確定。采用經(jīng)驗調(diào)試法進行氧艙PID 控制算法系統(tǒng)確定時遵循的方法：① 系數(shù)整定按照Kp、Ki、Kd順序，從小到大依次調(diào)試；②Kp系統(tǒng)整定時，若艙內(nèi)壓力的實際曲線頻繁振蕩，則Kp值需增大，若實際曲線飄在理論曲線上方，則Kp值需減?。虎跭i系數(shù)整定時，若艙內(nèi)壓力的實際曲線偏離理論曲線后回復(fù)的時間慢，則Ki值需增大，若實際曲線波動慢周期長，則Ki值需減小；④Kd系數(shù)整定時，若艙內(nèi)壓力的實際曲線振蕩頻率快，則Kd系數(shù)需減小，若實際曲線振蕩波動得慢，則Kd系數(shù)需增大。

2 自動控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

氧艙壓力的自動控制系統(tǒng)硬件包含工作站、轉(zhuǎn)換器、傳感器、執(zhí)行器，氧艙壓力自動控制系統(tǒng)硬件框架示意圖如圖2 所示。

圖2 氧艙壓力自動控制系統(tǒng)硬件框架示意圖

工作站采用臺灣研祥的IPC-818 系列工控機，工控機安裝高壓氧艙自動控制系統(tǒng)和美國Advantech 公司的PCL-726、PCL-818L 板卡，PCL-818L 為數(shù)據(jù)采集板卡，通過轉(zhuǎn)換器與傳感器進行通訊。PCL-726 為數(shù)據(jù)發(fā)送板卡，通過轉(zhuǎn)換器與執(zhí)行器進行通訊。

轉(zhuǎn)換器能將系統(tǒng)信號在直流電流與電壓之間進行轉(zhuǎn)換。傳感器、執(zhí)行器與工作站之間距離較遠，采用電壓信號傳輸會因線路損耗造成信號衰減，產(chǎn)生誤差，使得控制系統(tǒng)不易準確和穩(wěn)定。傳感器、執(zhí)行器采用直流電流4～20 mA信號傳輸時，又不能被PCL-818L 板卡、PCL-726 板卡直接讀取，因此轉(zhuǎn)換器將4～20 mA 直流電流信號與1～5 V 直流電壓信號之間進行轉(zhuǎn)換，可便于高壓氧艙控制系統(tǒng)在保證控制精度的前提下增加信號傳輸?shù)木嚯x。

傳感器是能感受壓力信號，并能按照一定的規(guī)律將壓力信號轉(zhuǎn)換成可用的輸出的電信號的器件或裝置。氧艙控制系統(tǒng)中選取的壓力傳感器型號：MSP-300-025-B-5-N-1，為美國MSI 公司MSP 系列壓力傳感器,采用微熔技術(shù)，具有防泄露、無“O”型圈、無焊縫、無硅油等特點，其壓力腔采用17-4PH 不銹鋼單件一體式結(jié)構(gòu)加工而成，量程：25 bar，采用4～20 mA 兩線制輸出，標準壓力接口采用1/4NPT 外螺紋接頭，可以保證良好的氣密性。

執(zhí)行器是自動化控制技術(shù)工具中接收控制信號并對受控對象施加控制運行作用的裝置，其性能直接影響控制的質(zhì)量。氧艙自動控制系統(tǒng)中需要對升壓速度、減壓速度、排氧流量進行調(diào)節(jié)，為成本控制和調(diào)節(jié)精度的前提下，采用智能定位器配合氣動薄膜調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行器。

自控系統(tǒng)向執(zhí)行器發(fā)出4～20 mA 的電流信號，智能閥門定位器接收控制信號，并向氣動薄膜調(diào)節(jié)閥輸出氣壓信號，線性調(diào)節(jié)閥芯動作，執(zhí)行器如圖3 所示。氣動薄膜調(diào)節(jié)閥采用富陽中亞閥業(yè)的ZXP-25P，通過氣動方式，推動閥蓋內(nèi)的密封橡膠墊克服閥桿彈簧向上提升閥芯，閥芯行程共16 mm，其具有線性流量特性、公稱通徑20 mm、閥座直徑20 mm、公稱壓力2.5 MPa、工作溫度20℃～200℃、信號壓力0.1～0.2 MPa、額定流量6.9 等特點。智能定位器采用YTC 公司的本安型YT-3300，是一種不需要人工調(diào)校自動檢測調(diào)節(jié)閥零點、滿程、摩擦系統(tǒng)，自動設(shè)置控制參數(shù)的定位器，其內(nèi)置微處理器，具有PID 控制，可精確控制閥位，具有4～20 mA 輸入信號、-30℃～85℃寬運行溫度、0.14～0.7 MPa 寬支持壓力等特點。

圖3 執(zhí)行器

3 氧艙自控系統(tǒng)軟件的設(shè)計

氧艙自控系統(tǒng)軟件的設(shè)計采用Delphi7.0 作為集成開發(fā)環(huán)境用于系統(tǒng)程序代碼的編輯、分析、編譯、調(diào)試等。Delphi7.0 是Borland 公司于2002 年發(fā)行的在windows 平臺下的快速應(yīng)用程序開發(fā)工具（Rapid Application Development，RAD），采用Object Pascal 語言，其面向?qū)ο蟮木幊炭蚣芊奖阌脩艨旖莸拈_發(fā)Windows 應(yīng)用程序，其可視化組件庫的多態(tài)性、封裝性及繼承性提供了強大的編程控制能力，用戶亦可通過創(chuàng)建自己的新組件來擴展程序的功能[15]。

3.1 Δp的PID控制代碼

Δp 作為PID 控制方程的輸入?yún)?shù)，而氧艙的自動控制程序的穩(wěn)定性依賴于PID 的控制方程，而PID 控制方程的參數(shù)最便捷的確定方式為經(jīng)驗調(diào)試法，因此控制系統(tǒng)程序的核心為Δp 的方程式計算，同時需要滿足PID 參數(shù)輸入的便捷性。升壓段核心代碼如下：

升壓段的壓力控制采用分時段的方式，共10 個時間段，不同的時間段的PID 參數(shù)各不同，采用變量A1、B1……A10、B10 作為程序代碼中PID 的變量。Δp 作為實際壓力與理想曲線壓力之間的差值，在Δp>-1.0 時采用的PID方程為A1+Pa1_dal*B1，在Δp<-1.0 時采用的PID 方程為Pa1_dal:=A1+Pa1_dal*Pa1_dal*B1。在實際壓力與理想曲線壓力之間差值過大即Δp<-1.0 時，PID 控制的輸出值較Δp>-1.0時的輸出值大，能夠確保加壓過程實際壓力曲線能夠快速響應(yīng)。PID 的參數(shù)A1、B1……A10、B10 可在氧艙控制程序界面進行設(shè)置，方便于采用經(jīng)驗調(diào)試法確定PID 參數(shù)。

穩(wěn)壓段、減壓段采用和升壓段相同的控制、類似的代碼，均為分時間段、不同參數(shù)進行控制。

3.2 采樣與輸出函數(shù)

采樣與輸出函數(shù)是控制系統(tǒng)獲取現(xiàn)場采樣數(shù)據(jù)，以及發(fā)送執(zhí)行器所需控制信號的函數(shù)，是控制系統(tǒng)的“神經(jīng)傳輸通道”，同時，Δp 的計算依賴于采樣函數(shù)的準確性。工作站采用PCL-818L、PCL-726 作為數(shù)據(jù)采集、發(fā)送板卡，因此在氧艙自控系統(tǒng)中可應(yīng)用代碼調(diào)用板卡驅(qū)動程序獲取采樣值、發(fā)送數(shù)據(jù)等操作。

采樣函數(shù)的主要代碼如下：

輸出函數(shù)主要代碼如下：

3.3 治療方案的保存與讀取

治療方案是氧艙壓力控制運行的依據(jù)，也是理想曲線繪制的重要節(jié)點數(shù)據(jù)，其標注了加壓段的總時間、壓力值，穩(wěn)壓段各吸氧、休息段的時間值，減壓段開始的時間值，減壓段停留的壓力值、時間值，以及治療結(jié)束的時間值。

氧艙控制系統(tǒng)的治療方案采用數(shù)據(jù)庫存儲的方法，數(shù)據(jù)庫為PARADOX，Delphi7.0 安裝完成后，可通過系統(tǒng)菜單調(diào)用Database Desktop 進行數(shù)據(jù)編輯，治療方案數(shù)據(jù)庫如圖4 所示。

圖4 治療方案數(shù)據(jù)庫

治療方案共10 個，升壓段設(shè)計共5 段，穩(wěn)壓段設(shè)計共7 段，減壓段設(shè)計共3 段。Sp1～Sp5 為升壓段節(jié)點壓力值，單位為kPa，St1～St5 為升壓段節(jié)點時間值，單位為秒；Hp1～Hp7 為穩(wěn)壓段節(jié)點壓力值，單位為kPa，Ht1～Ht7 為穩(wěn)壓段節(jié)點時間值，單位為秒；Jp1～Jp3 為減壓段節(jié)點壓力值，單位為kPa，Jt1～Jt3 為減壓段節(jié)點時間值，單位為秒（s）。

圖4 中治療方案1，Sp1 為150，St1 為900，即方案1的治療壓力為150 kPa，加壓時間為900 s（15 min）；Hp1、Hp2、Hp3 均 為150，Ht1 為2700、Ht2 為3000、Ht3 為4800 s，即方案1 在150 kPa 壓力下吸氧至2700 s（45 min），摘下面罩開始休息至3000 s（50 min）繼續(xù)吸氧，至4800（80 min）處開始減壓；Jp1、Jp2 均為30，Jt1 為5400、Jt2 為5700，即方案1 由150 kPa 減壓至30 kPa 時為5400 s（90 min），在30 kPa 處停留至5700 s（95 min），然后繼續(xù)減壓至0 kPa，時間截止至6000 s（100 min），治療方案1 的理想曲線如圖5 所示。

圖5 治療方案1理想曲線圖

4 應(yīng)用效果

工作站硬件運行穩(wěn)定，12 位的數(shù)據(jù)采集板PCL-818L可精確識別到壓力值的千分位，能夠滿足自動控制對壓力值精度的要求。PCL-726 輸出的4～20 mA 電流環(huán)抗干擾性強，避免了以往將輸出的電壓信號通過電子電路轉(zhuǎn)換為電流信號后造成的非線性、漂移等現(xiàn)象。

轉(zhuǎn)換模塊收發(fā)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，各信號及端子間相互干擾小。采用的高精密金屬膜電阻具有低溫度系數(shù)、阻值誤差小等特點，能夠在4～20 mA 直流電流信號與1～5 V 直流電壓信號之間進行精確轉(zhuǎn)換，供PCL-818L、PCL-726L 與壓力傳感器、氣動薄膜調(diào)節(jié)閥之間準確通訊。

智能閥門定位器內(nèi)置微處理器，可根據(jù)閥門行程反饋，自動設(shè)定閥門的最佳PID 參數(shù)，與氣動薄膜調(diào)節(jié)閥匹配良好，線性度高，對工作站的氧艙控制系統(tǒng)軟件發(fā)出的調(diào)節(jié)信號響應(yīng)迅速。

PID 控制有著結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點[16]。氧艙控制系統(tǒng)采用的PID 控制方式解決了艙內(nèi)壓力控制的穩(wěn)定性、快速性、準確性，基于負反饋，并在控制過程中不斷的采樣、比較、執(zhí)行，用采樣值與期望值之間的偏差來糾正系統(tǒng)的響應(yīng)。高壓氧艙在壓力控制過程中，通過PID的控制方式，可實現(xiàn)氣動薄膜調(diào)節(jié)閥響應(yīng)迅速，使得壓力采樣值與期望值之間的偏差Δp 迅速小幅振蕩減小，實際運行過程中，壓力采樣值在期望值±5 kPa 之間振蕩，患者在艙內(nèi)幾乎感受不到氣壓的波動，控制效果顯著。

5 結(jié)論

本研究所設(shè)計的基于PID 的高壓氧艙自動控制系統(tǒng)，工作站運行穩(wěn)定，PCL-818L、PCL-726 模數(shù)之間轉(zhuǎn)換時精度高、響應(yīng)快，轉(zhuǎn)換模塊對各信號的準確傳輸具有良好的支持能力。通過PID 參數(shù)的經(jīng)驗調(diào)試，可在氧艙投入使用前確定不同治療方案的PID 控制參數(shù)，使得調(diào)試后的氧艙控制系統(tǒng)在不同治療方案下都能保障控制的可靠性、準確性?；赑ID 的高壓氧自動控制系統(tǒng)的研究減少人為操艙的干預(yù)，提高了工作效率，同時為智能化、差異化的自動控制奠定了基礎(chǔ)。