基于模糊-PID算法護理呼吸機壓力控制的設計與實現(xiàn)

王宏民，陳 毅，陳軍偉，莫敦成，葉浩槐

(1.五邑大學 智能制造學部，廣東 江門 529020； 2.深圳靈幻科技有限公司，廣東 深圳 518055)

1 引 言

呼吸機自面世以來就用作輔助醫(yī)療器械，其在智能家居使用場合中的作用也備受關注。在COVID-19大流行后，人們對家用呼吸機的需求增加，家用呼吸機越來越多地進入日常使用場景[1-5]。新型冠狀病毒疫情是對國內家用呼吸機行業(yè)的一次嚴峻考驗。

近年來，國內外許多專家在家用呼吸機醫(yī)療護理方面進行了大量研究。Michael A.Borrello建立呼吸系統(tǒng)RCC模型，基于該模型設計了自適應逆?？刂破?。在呼吸檢測技術方面，賈守強結合3種呼吸觸發(fā)方法，驗證該方法的可行性[7]。李潔提出了一種根據(jù)患者呼吸事件進行通氣模式轉換的策略和基于PI控制的壓力緩變技術，提高了患者的舒適度[8]。劉華東提出了呼吸指數(shù)和阻塞因子的計算方法，用于判斷呼吸暫停和低通氣事件[9]。黃皓軒提出了基于流量圖形的呼吸觸發(fā)方法。

本文依據(jù)某醫(yī)療企業(yè)的要求、市場上現(xiàn)有的一些研究成果，實時地根據(jù)控制器調節(jié)風機轉速，維持氣道內壓力不變并對呼吸數(shù)據(jù)進行分析研究。研究表明：在壓力恒定不變時，壓力控制器需要具有較好的穩(wěn)態(tài)精度和穩(wěn)態(tài)性能；在壓力切換過程中，壓力控制器需要具有較好的動態(tài)性能，快速完成壓力切換。

2 護理呼吸機的設計

2.1 護理呼吸機結構設計

呼吸機放置于機器人內部，呼吸機內置通信模塊并與呼吸機器人頭部的通信模塊通過4G相連接，通過對呼吸機器人輸入語音指令或者在觸摸屏上進行操作，即以呼吸機器人為媒介對呼吸機進行控制。呼吸機的出氣口可以通過軟管直接與圖1中呼吸機器人側邊的呼吸管相連接，使用者只需帶好呼吸面罩就可以通過呼吸機來協(xié)助呼吸。將呼吸機的出氣口與呼吸機器人二層腔室中放置的制氧機、三層腔室的消毒倉相連接，然后再回到呼吸機放置的一層腔室中與呼吸管相連接，這樣呼吸機輸出的氣體就可以得到加濕、加熱，更有利于使用者的治療。當開啟呼吸機器人的跟隨模式后，攝像頭會持續(xù)獲得使用者的圖像信息并傳輸?shù)筋^部的圖像識別模塊，總控制電路板會對這些信息進行處理，處理完成后通過無線傳輸?shù)姆绞綄粑鼨C器人底部安裝的AGV智能跟隨底盤發(fā)送指令，跟隨底盤根據(jù)這些指令進行移動，從而實現(xiàn)呼吸機器人對使用者的跟隨。

圖1 護理呼吸機和機器人模型

2.2 護理呼吸機氣路設計

呼吸機得到指令后按比例對肺部輸送氧氣，通過比例閥精確地控制氧氣流速，供給病人需要的流速和壓力[10,11]。氣體過濾器位于呼吸器末端，其主要功能是將外界進入呼吸氣路可能含有的粉塵或煙霧及微生物等雜質過濾掉，因此安裝氣源過濾器是必要的。氣體溫濕器的主要作用是對患者吸入的空氣加溫加濕，避免因空氣干燥或者溫度太低而刺激患者的呼吸氣道。呼吸機氣路圖見圖2。

圖2 呼吸機氣路圖

2.3 呼吸模型的建立

呼吸系統(tǒng)通氣模型如圖3所示，外回路氣阻RT在試驗中相對于氣道插管氣阻RL可忽略不計[15]。RL=KT·VL(KT是氣道插管氣阻常數(shù))。圖3中，Vi為輸送氣流，Ve為排出氣流，V為輸出氣體流速，VL為流經(jīng)肺的氣體流速，PV為輸出氣壓，PC為人體氣道壓，PL為肺泡氣壓，Pm為觸發(fā)壓力，CT和CL是通氣管路順應性和肺部順應性。

圖3 呼吸系統(tǒng)通氣模型

圖3中各量的關系為：

(1)

(2)

PV-PC=RT·VL

(3)

(4)

Vi-Ve=VL

(5)

將呼吸力學一階線性函數(shù)集中為參數(shù)模型，自適應壓力反饋控制系統(tǒng)如圖4所示，圖中，X(s)=PC/s,PC代表目標氣道壓力，C(s)代表控制函數(shù)，e(s)代表實際壓力值與理論壓力值的偏差，ET=1/CT,EL=1/CL，可推導出：

(6)

(7)

(8)

圖4 自適應壓力反饋控制系統(tǒng)

控制壓力上升時間由一階系統(tǒng)的參數(shù)決定。整個系統(tǒng)將C(s)調節(jié)成一階系統(tǒng),系統(tǒng)函數(shù)為：

(9)

利用T(s)和式(6)-式(8)的關系，得到：

(10)

由RL和CL決定T固定時控制函數(shù)的參數(shù)。向量形式Y=AX由式(1)改寫而來并由最小二乘擬合可知：

X=(A′A)-1A′Y

(11)

下一呼吸周期的控制函數(shù)可由此計算結果得出。當RT、RL和CL的估計值和實際值有差異時，傳遞函數(shù)為：

系統(tǒng)依然穩(wěn)定，由勞斯判據(jù)得出，系統(tǒng)階躍響應的穩(wěn)態(tài)誤差為：

可知壓力依然能調節(jié)，即便實際參數(shù)值與估算參數(shù)值有差異。

3 模糊-PID算法壓力控制方案設計

結合雙水平壓力控制的特點和要求，本文選擇將模糊控制和PID控制結合起來，使用模糊-PID雙?？刂破鬟M行雙水平壓力控制。在壓力切換過程中使用模糊控制，當壓力切換完成時使用PID控制[11,12]。氣道內的壓力從平穩(wěn)的低壓力變化到平穩(wěn)的高壓力需要一定的時間，從高壓力變化到低壓力也需要一定的時間。當獲取壓力波動幅值時，對比波動幅值與設定上升閾值的大小，波動幅值大于上升閾值判斷為吸氣狀態(tài)，反之判斷為呼氣狀態(tài)。呼吸切換的過渡時間越短，說明呼吸機的壓力控制動態(tài)性能越好，但壓力調整速度過快會引起用戶的不適。因而，呼吸機輸入壓力值需要自適應控制進行調整。氣道壓力調節(jié)流程如圖5所示。

圖5 氣道壓力調節(jié)流程

3.1 模糊-PID控制器設計

自適應模糊PID控制原理如圖6所示，控制執(zhí)行器為獲得準確值，需要對模糊量進行去模糊化，對Kp和Ki使用模糊規(guī)則進行調節(jié)。參數(shù)模糊自適應是找出PID的3個控制參數(shù)和偏差e及偏差變化率ec的模糊關系，計算出e及ec的傳感器反饋值與設定值，根據(jù)模糊控制規(guī)則對參數(shù)進行在線調整[13]。

3.2 隸屬度函數(shù)選取

呼吸壓力精確量轉化為模糊量依據(jù)的是e和ec轉換，而轉化是根據(jù)模糊論域和隸屬度函數(shù)，輸入變量e、ec與輸出變量ΔKp、ΔKi的模糊論域解釋為NB代表負大，NM代表負中，NS代表負小，ZO代表零，PS代表正小，PM代表正中，PB代表正大。

圖6 自適應模糊PID控制原理

將e和ec線性變換到區(qū)間[-1，1]之間，屬于確定性集合。圖7所示為變量的單點模糊化隸屬度函數(shù)。e和ec隸屬于各個模糊變量的隸屬度由隸屬度函數(shù)確定。壓力設定值為P1=0.5kPa的待測物體，由壓力傳感器檢測到的實際壓力為P(t),則氣體壓力的誤差e及誤差變化率ec分別為：

e(t)=P(t)-P1

(12)

ec(t)=e(t)-e(t-1)

(13)

(a)

(b)圖7 隸屬度函數(shù)

3.3 模糊控制規(guī)則庫設計

壓力的變化率出現(xiàn)在設定值附近時，相對小的正值或負值由模糊控制器輸出，誤差變化率ec不變即代表壓力變化率不變。當e較大，ec較小時，提高系統(tǒng)的響應速度需要增大Kp、減小Kd值，與此同時，也應該盡量減小Ki值來減少超調量；當e與ec相對合適時，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性需要Kp、Ki值保持不變，同時Kd值應該減??；當e與ec均較小時，應減小Kp、Kd、Ki來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；當e較小，ec較大時，應減小Kd，直到e減小為0，ec增加為0。根據(jù)e和ec兩個參數(shù)調節(jié)的依據(jù)，得出模糊控制規(guī)則表，見表1。

表1 模糊推理規(guī)則庫表

4 試驗結果與分析

利用試驗平臺(見圖8)采集到的自適應實時流量波形圖和自適應壓力波形圖如圖9所示。壓力4cmH2O時，壓力控制器需具有較好的穩(wěn)態(tài)精度和穩(wěn)態(tài)性能。將壓力誤差信號通過PID控制的3個環(huán)節(jié)，運算輸出風機轉速百分比值，實現(xiàn)控制壓力快速達到穩(wěn)態(tài)值且無穩(wěn)態(tài)誤差?？刂骑L機轉速恒定為70時，波形圖如圖10(a)所示，其達到穩(wěn)態(tài)值所需時間較長。加入PID控制環(huán)節(jié)后，調節(jié)KP比例放大系數(shù)，波形圖如圖10(b)所示。在引入Ki積分項過程中，經(jīng)過大量試驗修改不同的Ki參數(shù)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在振蕩現(xiàn)象，其結果如圖10(c)所示。引入容許誤差后，即當誤差信號低于設定值時，誤差信號置零。隨后，調節(jié)積分項系數(shù)Ki，能夠消除被控量靜態(tài)誤差，但控制滯后現(xiàn)象嚴重。通過引入微分控制器，能有效減少系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時所需的時間，系統(tǒng)產生的超調現(xiàn)象依然存在，其結果如圖10(d)所示。

圖8 試驗平臺

圖9 壓力-流量數(shù)據(jù)圖

(a)轉速恒定時波形圖

(b)比例壓力控制波形圖

(c)比例-積分壓力控制波形圖

(d)比例-積分-微分壓力控制波形圖圖10 壓力控制波形圖

根據(jù)呼吸壓力的切換方式，參數(shù)測量氣路用來采集氣路中的壓力，傳感器將壓力數(shù)據(jù)傳送給呼吸機的控制器從而進行壓力控制。呼吸機的壓力在2～20cmH2O范圍，用SD卡記錄呼吸過程中壓力傳感器測得的實際氣道壓力值，并在輸出范圍內設置呼吸機的治療壓力，得到不同治療壓力時的實際輸出壓力變化情況，模糊-PID雙?？刂茐毫πЧ麥y試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 模糊-PID雙?？刂茐毫πЧ麥y試數(shù)據(jù)

5 結 論

模糊-PID控制器因其壓力值變化平緩，超調量小且能夠滿足呼吸機壓力上升時間可變的要求。采用傳遞函數(shù)和模糊-PID雙模控制算法設計了呼吸機壓力控制系統(tǒng)，對風機轉速進行實時調節(jié)。結果表明，采用模糊-PID雙?？刂扑惴梢允馆敵鰤毫Ω悠椒€(wěn)，減少壓力過沖和振蕩現(xiàn)象，提高了通氣的穩(wěn)定性和患者使用的舒適度。