高壓氧艙自適應算法智能控制系統(tǒng)設計研究

蘇虞磊，嚴琴琴，張 典，曲蘊慧

(西安醫(yī)學院 衛(wèi)生管理學院，陜西 西安 710021)

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 別名有機玻璃-PMMA，是常見熱塑性聚合物材料的一種，因其質(zhì)量輕、抗老化性能好、透明性優(yōu)良、不易碎裂及有較好的機械性能等特點，被廣泛應用于生物醫(yī)學、航空、機械制造、建筑等方面，高壓氧艙作為高壓氧療法的專用設備，其安全和有效使用是保障治療效果的關鍵。目前高壓氧艙的控制方式多為手動或簡單的自動控制，影響控制精度。因此，其精度高、高穩(wěn)定性的智能控制系統(tǒng)的設計有著重要的現(xiàn)實需求與應用價值?；诔Ｒ姷腜ID控制算法，將其作為內(nèi)環(huán)，采用專家?guī)旌妥赃m應算法進行算法改進，控制系統(tǒng)能夠依據(jù)高壓氧艙內(nèi)的溫濕度、氧氣體含量、艙內(nèi)人數(shù)等，對PID參數(shù)進行智能調(diào)整，達到在不同情況和不同治療方案下高壓氧艙的治療效果最佳。

1 高壓氧艙制備材料

聚甲基丙烯酸甲酯(有機玻璃-PMMA)作為目前常見的透明高分子材料之一，屬于典型的長鏈的高分子化合物，具有較為柔然的分子鏈。一方面有較高的強度，并在抗沖擊和抗拉伸方面，能遠遠超越普通玻璃。尤其經(jīng)過特殊拉伸和加熱處理過的有機玻璃-PMMA材料，韌性顯著提高，分子鏈段也排列的有次序。同時，有機玻璃-PMMA經(jīng)過拋光后外觀上具有類似水晶般的光澤，在醫(yī)用方面，是常見的有機透明型材料。有機玻璃-PMMA作為主要的受壓元件，在醫(yī)用高壓氧艙領域被廣泛使用，部分作為觀察窗和用作照明窗，部分也作為筒體。醫(yī)用高壓氧艙工作壓力不高( 一般均不超過 0．2 MPa)，醫(yī)用高壓氧艙的筒體、端蓋封頭或門部分使用鋼制材料，強度和剛度指標無論是設計還是制造，均能得到一定的性能保障和質(zhì)量保證。醫(yī)用高壓氧艙實例如圖1所示。

圖1 高壓氧艙實例Fig.1 Example of hyperbaric oxygen chamber

我國特種設備安全技術(shù)規(guī)范氧艙安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程中對于有機玻璃-PMMA材料的使用要求，有機玻璃-PMMA管材的最大、最小壁厚差和板材的厚度差應不大于公稱壁厚和公稱厚度的10% ；筒體、觀察( 照明) 窗等的有機玻璃-PMMA材料的受壓元件，應符合澆筑型有機玻璃-PMMA管材、板材產(chǎn)品標準一等品的要求，具體如表1、表2所示。

表1 有機玻璃-PMMA管材物理、力學性能指標Tab.1 Physical and mechanical properties of PMMA pipe

表2 有機玻璃-PMMA板材物理、力學性能指標Tab.2 Physical and mechanical properties of PMMA sheet

針對有機玻璃-PMMA表面銀紋的產(chǎn)生和擴展，不僅造成了其光學透明度下降，重要的造成有機玻璃-PMMA材料強度迅速降低。由于銀紋位置產(chǎn)生的局部應力，使得醫(yī)用高壓氧艙有機玻璃-PMMA最終潛在風險會導致其損傷破裂或爆炸等惡性事故發(fā)生。

2 高壓氧艙自動控制算法分析

雖然高壓氧艙自動控制系統(tǒng)可能存在裝置失效、干擾過強、電壓信號轉(zhuǎn)化為電流信號引起的非線性等隱患。采用該算法作為內(nèi)環(huán)，并采用專家?guī)旌妥赃m應算法進行輔助控制，以實時、有效調(diào)整PID控制器。自適應是一種在處理或分析過程中，結(jié)合實際數(shù)據(jù)特征對自身算法進行自動調(diào)整的算法，能夠?qū)崿F(xiàn)其約束條件、邊界條件、順序等因素的調(diào)整，以盡可能達到最佳的處理效果。該系統(tǒng)的自動控制算法原理圖如圖2所示。

圖2 高壓氧艙自動控制算法原理Fig.2 Schematic diagram of automatic control algorithm for hyperbaric oxygen chamber

內(nèi)環(huán)PID控制離散化公式：

(1)

式中：()為系統(tǒng)調(diào)節(jié)量；為比例系數(shù)；為積分系數(shù)；為微分系數(shù)；()為系統(tǒng)第步時偏差。

在該算法的設計中，將艙壓的實時采集值與理論值之間差距定義為△，設=|100×△理論艙壓|，依據(jù)值大小分為5個區(qū)間，分別為<1、[1,2)、[2,3)、[3,4)和≥4，值取整后分別為1、2、3、4。以同樣的方法劃分艙內(nèi)溫度(12～31 ℃，得到=12，13，…，31，溫度小于12 ℃時，記為=12 ℃；用表示高壓氧艙內(nèi)的人數(shù)，的最大值為32。由、和這3個參數(shù)建立專家?guī)臁Ｏ到y(tǒng)運行時，依據(jù)、、3個坐標從專家?guī)熘羞x取對應的PID參數(shù)，在自適應調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用下，控制PID參數(shù)，同時專家?guī)旒皶r記錄PID參數(shù)的最優(yōu)解。自適應算法的最優(yōu)準則有最小二乘準則、最小均方誤差以及統(tǒng)計檢測準則，等等。該系統(tǒng)控制算法選擇最小二乘法進行調(diào)節(jié)。氧艙控制過程描述為：

()()=()()()+()()

(2)

式中：()、()、()分別為后向移位因子-1的多項式；()為系統(tǒng)采樣序列；()為系統(tǒng)調(diào)節(jié)量序列；()為有節(jié)白噪聲序列；為過程時滯。高壓氧艙控制系統(tǒng)最小二乘法最優(yōu)調(diào)節(jié)步驟：

(1)計算值，并按照3個坐標、、選取出專家?guī)熘袑腜ID參數(shù)；

(2)采集當前高壓氧艙內(nèi)實際壓力，記為；

(3)以最小二乘法得到PID的3個參數(shù)值；

(4)計算系統(tǒng)的調(diào)節(jié)量()；

(5)將()傳遞給控制過程，返回(2)進行循環(huán)調(diào)節(jié)。

3 高壓氧艙智能控制系統(tǒng)硬件設計

3.1 工作站

工作站采用的主機為研祥IPC-810工控機，該型號工控機能夠兼容多種工業(yè)母板和全系列全長卡。選擇IPC-6116LP4工業(yè)底板，F(xiàn)SC-1814標準全長CPU卡作為主板。信號輸入板卡型號為PCL-818L，此板卡采樣時頻率設為10 MHz，數(shù)據(jù)采樣信號采取差分輸入，信號采樣范圍為單極性0～5 V，有16個連續(xù)字節(jié)的I/O端口，通過端口模塊實現(xiàn)對氧艙數(shù)據(jù)的采集。輸出板卡型號為PCL-726，此板卡輸出的4～20 mA電流環(huán)有著較強的抗干擾性。采用對地負載和懸浮電源的方式將執(zhí)行器與PCL-726輸出板卡相連，并需要直流24 V電源供電，PCL-726板卡輸出連接示意圖如圖3所示。

圖3 PCL-726板卡輸出連接示意圖Fig.3 Output connection of the PCL-726 board

3.2 端口模塊

端口模塊是系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，相當于信號通信的樞紐。通過DB-37接口連接系統(tǒng)的輸入、輸出板卡，模塊內(nèi)置直流24 V電源，滿足輸出板卡用電需求，并能夠為壓力傳感器提供電源。端口模塊會將氧濃度傳感器和壓力傳感器輸出的4～20 mA采樣電流信號輸送到工作站，傳感器輸入側(cè)需并聯(lián)一個250 Ω的精密電阻，從而將4～20 mA直流轉(zhuǎn)換為1～5 V的電壓；然后與PCL-818 L板卡建立連接。智能控制系統(tǒng)經(jīng)輸出板卡發(fā)送的直流電流調(diào)節(jié)信號，端口模塊接收并分發(fā)至各執(zhí)行器信號端。

3.3 傳感器

壓力傳感器

該系統(tǒng)采用MSP-300-025-B-5-N-1型號壓力傳感器，有著較好的穩(wěn)定性和耐用性，具有100%無泄漏、無O形圈、工作溫度范圍寬等優(yōu)點；采用4～20 mA兩線制輸出方式，由端口模塊的內(nèi)置電源供電。

溫濕度傳感器

溫濕度傳感器采樣點位于高壓氧艙內(nèi)部，與壓力傳感器相匹配，都采用兩線制串行通信方式。選擇SHT11型號溫濕度傳感器芯片，具有精度高、占位面積小、全校準數(shù)字式輸出等優(yōu)點。SHT11溫濕度傳感器與工作站距離較遠，為保證信號傳輸效率，其通過12C接口與基于單片機的溫濕度變送器連接；之后經(jīng)RS485接口與RS485-USB轉(zhuǎn)換器相連接，通過USB接口將溫濕度傳感器信號傳輸至工作站。

艙位傳感器

艙位傳感器采集患者人數(shù)和患者所處位置的設備。接近開關使用方便，適合用于高壓氧艙，以獲取艙內(nèi)患者的數(shù)量。艙位傳感器和吸氧管路都安裝在座椅的側(cè)邊位置，選擇電容式接近開關。當有患者準備進行吸氧治療時，需要先將吸氧面具戴好，然后將吸氧管插入高壓氧艙的吸氧管路接口位置，接近開關會打開，給予患者高壓氧治療。該系統(tǒng)中，艙位傳感器負責向自動控制系統(tǒng)的輸入板卡傳輸數(shù)字量信號，系統(tǒng)才能夠明確幾位患者需要吸氧治療，以提供針對性的供、排氧。相比于傳統(tǒng)的治療過程，智能控制系統(tǒng)可減少醫(yī)護人員的工作量，同時也提升了高壓氧艙的醫(yī)療安全性。

氧濃度傳感器

采用AAY80-390R型號的CITICEL氧濃度傳感器，其測量的氧氣體積分數(shù)為1%～25%，輸出電流為(0.10±0.02)mA，工作溫度為-20～50 ℃。ML-Ⅱ型測氧儀內(nèi)，不僅集成了氧濃度傳感器，也增加了放大器、變送器等零器件。A/D轉(zhuǎn)換器的作用是將模擬信號轉(zhuǎn)換為計算機可識別的數(shù)字信號，以供AT89C52單片機識別與處理，單片機輸出4～20 mA的直流電流至端口模塊?？紤]到高壓氧艙內(nèi)部器件的功率不能過高，因此有的設計會將氧濃度傳感器安裝在氧艙外部，定時采集艙內(nèi)氧濃度。

3.4 執(zhí)行器

為提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，執(zhí)行器設計采用智能型電氣閥門定位器配合氣動薄膜調(diào)節(jié)閥進行系統(tǒng)控制；ZXP-25P型號氣動薄膜調(diào)節(jié)閥，具有質(zhì)量輕、安裝與維修方便等特點；本安型YT-3300電氣閥門定位器，可接收系統(tǒng)中4～20 mA內(nèi)的電流信號，并將其轉(zhuǎn)化為氣壓信號；內(nèi)置微處理器可精確控制閥門的開度，簡單操作即可調(diào)整PID值。

4 高壓氧艙智能控制系統(tǒng)軟件設計

采用Delphi7.0編程工具開發(fā)系統(tǒng)軟件，Project Pascal編程語言，設計的高壓氧艙智能控制系統(tǒng)安全問題相對更少，使用更加簡便。

4.1 采樣與輸出函數(shù)

這2個函數(shù)是系統(tǒng)收集相關治療信息并給出治療指令的關鍵。采樣函數(shù)可對高壓氧艙內(nèi)各項參數(shù)進行精準采集，編寫的采樣函數(shù)程序中包含調(diào)用PCL-818 L、選擇通道、設置電壓范圍、顯示電壓值等代碼；輸出函數(shù)的程序中包含打開PCL-726、獲取設備列表、設置通道、發(fā)送調(diào)節(jié)量信號等代碼，以完成將調(diào)節(jié)值傳輸給調(diào)節(jié)器的工作，實現(xiàn)對進氣閥門、排氣閥門以及眾多設備的靈活控制。

4.2 控制函數(shù)

該函數(shù)是控制系統(tǒng)軟件的核心?？刂坪瘮?shù)由Timer控件控制，該控件可有規(guī)律的間隔一定時間執(zhí)行一遍代碼。Timer控件Interval屬性設置為1 000，即每隔1 ms執(zhí)行一次控制函數(shù)。控制函數(shù)將采樣函數(shù)獲取的實際氧艙氣壓值與艙壓理論值之間的差值()，以及()與前一時刻(-1)之間的偏差()均作為控制函數(shù)的輸入值，經(jīng)控制算法計算后得到、和，計算出系統(tǒng)的調(diào)節(jié)量()。

軟件流程

本設計的系統(tǒng)軟件的執(zhí)行流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程Fig.4 System software flow

由圖4可知，首先啟動系統(tǒng)，醫(yī)務人員在軟件上選擇已有的或者輸入患者的針對性治療方案。病人進入艙內(nèi)，確定系統(tǒng)運行正常才能開始治療。由一系列的傳感器獲取艙內(nèi)治療人數(shù)、氣源壓力、溫濕度、氧濃度等參數(shù)，在自適應算法下自動調(diào)整PID參數(shù)，進行安全、高效的高壓氧治療。同時為保障治療安全性，可自定義設置氧濃度、壓力以及艙體使用次數(shù)報警值。治療結(jié)束后，患者的治療數(shù)據(jù)自動存入系統(tǒng)存儲器，也可打印出本次治療的數(shù)據(jù)和曲線圖。另外，隨著高壓氧艙系統(tǒng)的優(yōu)化和完善，可通過軟件操控系統(tǒng)指示燈、顯示屏、音頻播放等。

5 結(jié)語

通過對高壓氧艙結(jié)構(gòu)與原理的分析，在硬件和軟件上設計了一種基于自適應算法的高壓氧艙智能控制系統(tǒng)，常用的PID控制算法，采用專家?guī)旌妥赃m應算法進行優(yōu)化，使得高壓氧艙控制系統(tǒng)更加精準、有效，適用于多種治療方案，進一步減少了人工操作失誤的可能性，使其具備穩(wěn)定性高、抗突發(fā)故障以及自適應強等特點，促進患者的高壓氧治療效果。