论文总字数：22631字

摘 要

呼吸机作为临床医疗必备的器械之一，在临床急救上发挥着不可替代的作用。比例阀作为呼吸机气路中的一个重要组成部分，其控制器的控制效果将直接影响到呼吸机气流的平稳性。论文围绕如何设计一款比例阀控制器展开，重点介绍了控制算法的设计与优化。

论文首先研究了比例阀控制器的硬件电路及比例阀的响应特性，确定使用脉宽调制信号来实施对比例阀的驱动。对比例阀进行了开环算法实验，分析其不理想结果后确定对控制器实施闭环反馈算法。将比例阀的工作电流作为反馈值，与标准工作电流进行比较，根据比较结果修正输出波的参数。经测试，采用闭环算法的控制器能够基本实现对气流的控制。

为了更好地配合呼吸机电路对气流实施控制，针对PCV模式下控制不精确、开机工作不稳定、实际应用需求三个方面对闭环算法进行了优化。优化后的算法能够实现与呼吸机电路的配合控制，稳定性高、重复性好、控制效果强。能够在呼吸机控制电路不改变的情况下取代进口比例阀控制器，完成对气流的有效控制，实现了论文目标。

关键词：呼吸机，比例阀，闭环反馈控制

Abstract

As one of the necessary clinical medical equipment, ventilators play an irreplaceable role in the clinical first aid, inhalation anesthesia and auxiliary treatment. Proportional valve is an important part of ventilators. It’s control effect will directly affect the airflow .

This paper researched how to design a proportional valve controller. Focusing on how to use algorithm to control proportional valve, and then implement control of airflow with the electric circuit of ventilators.

Firstly, the paper analyzed the ventilator gas path, identified the electric circuit of the proportional valve controller; Secondly, designed the control algorithm. Studied the response characteristic of the proportional valve and the Pulse Width Modulation signal is determined to drive the proportional valve. Closed-loop feedback control algorithm is used. Sampling valve opening value sent by ventilator and the current value of the feedback loop, then figured out the PWM wave output parameters to control proportional valve.

Finally, tested and optimized the control algorithm. After the optimizations for inaccuracy under the PCV mode, poor stability at the beginning of working time and the considerations of practical, the algorithm achieved effective control under the proportional valve. It can be used in the ventilator electric circuit instead of former controller.

KEY WORDS: proportional valve, Pulse Width Modulation, closed-loop feedback control

目录

摘 要 1

Abstract 3

第一章 绪 论 5

1.1 论文背景 6

1.1.1 呼吸机知识简介 6

1.1.2 比例阀原理及应用介绍 6

1.2 目标和意义 7

1.3 论文主要内容 7

1.4 本章小结 8

第二章 比例阀控制器硬件电路实施方案 8

2.1 呼吸机控制平台介绍 8

2.2 硬件电路需求及方案 10

2.3 本章小结 10

第三章 比例阀控制器算法设计 12

3.1 比例阀的响应特点 12

3.2 开环控制算法的设计及测试 13

3.3 闭环控制算法的设计 18

3.3.1 流程设计 19

3.3.2 参数测定 20

3.4 闭环控制算法的测试 22

3.5 本章小结 25

第四章 比例阀控制器算法优化 26

4.1 PCV模式下的优化 26

4.2 开机反馈方式的优化 28

4.3 针对应用实际的优化 29

4.3.1 增加电位器调节模块 30

4.3.2 增加记零点模块 32

4.4 本章小结 33

第五章 总结与展望 34

致谢 35

参考文献 36

附录 37

绪 论

• 1. 论文背景
     1. 呼吸机知识简介

呼吸机发展至今，已经有近一个世纪的历史。早期的呼吸机主要用于麻醉和高空供氧，直到上世纪五十年代起人们才将呼吸机广泛的用于临床治疗。1964年，第一台电控呼吸机问世，是发展的分水岭使得跨入更加精密子时代。近年来随着计算机技术的迅猛发展和临床实践经验积累，呼吸也在不断完善中，与自主呼吸同步的机广泛应用于临床并且开发出多种通气模式动化和智能程度更高，使得辅助呼吸加接近人的生理状态^[1]。

呼吸机的控制系统同样在不断的发展中。最初风箱和铁肺虽然操作不便，完全依赖于人的经验来进行控制，使用中有很大局限性但由它设备简单现在的急救场合仍然在使用类似的手动通气。随后机械化发展了各种气动阀和传机构来实现对呼吸的控制，释放了人力但是它精度依然较低，多种呼吸模式也难以实现。随着电子元器件和传感的发展机逐渐采用电子控制技术，闭环系统开始得到广泛应设置和显示也更加方便快捷使得呼吸机在医疗系统中到普及。而微处理器的广泛应用则大缩小了体积，得呼吸机在医疗系统中到普及，并且能够实现复杂的控制算法，通气模式也更趋于多样化使得呼吸机辅助治疗加舒适、高效^[1]。

随着呼吸机的临床应用日趋广泛，已经积累了不少经验，有关呼吸机对人体的影响也有了更多的解，同时发现一些亟待决问题临床上提出新要求，正是这些问题和促进了呼吸机的发展。为满足目前新一代呼吸机的性能较以往有了很大改善。如在气、转换上，高档呼吸机均有两种以上的切换方式；在通气力求使病人更舒适，减少呼吸功触发敏感度越来越高；而最关键的是计算机在呼吸上应用，微替代电子控制不但降低了成本，而且误差小，操作更直观、方便。

近几十年来，呼吸机的发展非常迅速。国外有很多厂家在生产呼吸机，美国的伟康Respironics)、澳大利亚的瑞思迈(ResMed)、德国(Siemens)公司和法国(Teama)公司等。他们拥有国际领先的技术，在高档呼吸机市场占有很重要的位置。一些较高水平的智能呼吸机工作界面较人性化，通气模式比较完整，信息显示精确，并能及时存储病人的相关数据，进行简单的智能化处理，在大型医疗机构中得到广泛应用^[2]。而国内的呼吸机研制起步较晚，直到上世纪末，研发力度才有所加大质量才有所提升。导致目前我国呼吸机工作模式相对简单，通气模式单一，界面较粗糙。但是由于成本较低在中端医疗器械市场和家用呼吸机市场中占有很大的份额，当然也很难占据高端市场。为了改善这种落后的状态，我国不断的引进、消化吸收改外先技术，生产出我自主品牌的呼吸机。但是，很多关键技术仍然被国外的巨头所垄断，部分元器件依赖进口。在功能质量方面，尤其是可靠性上还落后于国外发达家，在呼吸机的研制和开上我们还有很长的路要走^[3]。

• • 1. 比例阀原理及应用介绍

比例阀是呼吸机中气体管路的控制装置，用途广泛 ^[4]。比例阀有多个种类，电液比例阀是其中最广泛应用的一种，本论文中涉及到的比例阀都为电液比例阀，以下简称比例阀。普通液压阀只能通过预调的方式对液流的压力、流量进行定值控制，但是当设备机构在工作过程中要求对液压系统的压力、流量参数进行调节或连续控制，例如，要求工作台在工作进给时按慢、快、慢连续变化的速度实现进给，或按一定精度模拟某个最佳控制曲线实现旅力控制，普通液压阀则无法实现。此种情况下可以用比例阀对液压系统进行控制。比例阀可以按输入的电信号连续地、按比例地控制液压系统的液流方向、流量和压力^[4]，它由电-机械比例转换装置和液压控制阀本体两大部分构成，前者将输入的电信号连续地按比例地转换为机械力和位移输出，后者在接受这种机械力和位移之后、按比例连续地输出压力和流量。

比例阀是由以下两个途径发展起来的，一是用比例电磁铁取代传统液压阀的手动调节装置或取代普通电磁铁；二是由电液伺服阀简化结构、降低精度而发展。以下介绍的比例阀均指前者，它是当今比例阀的主流，与普通液压阀可以互换。

如图1-1所示，在比例阀中，比例电磁铁根据输入信号使阀芯产生位移，进而使节流阀口发生改变，以此完成对流体系统的流量与输入电流成比例关系的控制^[5]。由于其集电子控制的灵活性与液压控制响应快、出力大及结构紧凑等优点于一身，目前已成为呼吸机气路中的重要组成部分^[6]。目前大部分比例阀通过脉宽调制信号(PWM)控制比例阀，其中的比例电磁铁可将控制电流信号转换成力信号，且轴向推力与线圈电流成正比^[7]。当控制电压增大，线圈通电电流增大，衔铁受电磁力增大，当电磁力大于阀芯所受负载力的总和时，阀芯移动进而使发扣遮盖量发生改变，以此完成与控制电压成比例的压力、流量输出。

图1-1. 比例阀结构图

1.2 目标和意义

患者对呼吸机的直接需求体现在需要呼吸机提供稳定的气流，而在呼吸机气流气路中，比例阀是控制气流的关键部位。根据上述背景材料，随着呼吸机的通气模式发展得越来越多，比例阀控制器设计者需要增强对比例阀的控制，增加灵活性、可靠性和重复性。

本论文的主要任务是设计一款比例阀控制器，配合呼吸机的控制电路来实现对气体流速的控制。要求控制器工作稳定可靠，能够实时监测比例阀的工作状态；通过算法对比例阀控制程序进行优化，以确保比例阀开口稳定，重复性好。任务的最终目的是要在不改变呼吸机的其他部分的情况下取代进口比例阀控制器。

本论文的意义在于通过对比例阀控制器的设计，完成对整个呼吸机气路中比例阀的控制，进而控制气流以配合呼吸机的不同工作模式。通过将电子控制技术运用到机械通气领域中，更好地完善机械通气系统。

1.3论文主要内容

在本论文中，比例阀控制器的设计包括硬件电路及软件算法两个部分；硬件电路与呼吸机电路、比例阀相连，软件程序实现对输入信号（电压）向输出信号（PWM）的转换。基于以上思路，本论文的章节按如下划分。

第一章（绪 论）中，从比例阀的原理及应用及呼吸机相关知识两个方面介绍了论文背景并分析了此论文的研究意义及研究目标，最后对论文的主要内容进行介绍。

第二章（比例阀控制器硬件电路实施方案）中，介绍了比例阀控制器的硬件电路所需实现的功能，以及比例阀控制器硬件电路的当前实施方案，为比例阀控制器的算法设计提供硬件基础。

第三章（比例阀控制器算法设计）中，分析了控制算法所需实现的目标，设计了开环算法并进行测试。通过对结果的分析确定加入反馈构成闭环算法，测定了闭环算法所需的参数，完成控制算法的基本框架，实现了基本功能。

第四章（比例阀控制器算法优化）中，进行控制算法整体性能测试，分析控制效果存在的不足：PCV模式下控制压力不够平稳、开机时工作稳定性不高等，针对不同情况对控制算法进行优化，实现与呼吸机电路的配合控制。

第五章（总结与展望）中，分点总结了本论文已经实施的工作，包括研究呼吸机气路、实施硬件电路方案、设计软件控制算法，最终能够有效地实施对气流的控制；最后分点对今后需要进行的工作进行了展望。

1.4本章小结

本章首先针对呼吸机及比例阀的背景知识作了阐述，明确了论文的研究意义及具体目标，最后确定了论文需要完成的主要内容，并对本文的章节安排做了规划。

比例阀控制器硬件电路实施方案

2.1 呼吸机控制平台介绍

2.1.1呼吸机控制平台硬件部分简介

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