呼吸机控制理论与应用技术.doc

呼吸机控制理论与应用技术呼吸机的基木结构主要由电子控制和气路2大部分组成。气路部分主要是一个气体传送系统，包括气体供应(气体储存、压力支持)、气体传输、压力流量监测和校正。压缩空气、氧气按设置所需的比例混合后，通过管道及相关伺服阀门以设置的气压、流速送到病人端。流量传感器将测量到的实际值馈送到电子控制部分与面板设置值比较，利用两者间的误差通过控制伺服阀门来调节吸入和呼出气体。电子控制部分的主要功能是控制呼吸机以一定的频率、潮气量进行通气，同时监测相应传感器的反馈数据超过限定范围时报警提示。2呼吸机控制理论 呼吸机控制理论源于自动控制科学，自动控制理论自创立以来经过了3代的发展:第1代为20世纪初开始形成并与50年代趋于成熟的经典反馈控制理论;第2代为20世纪50,60年代在线性代数的数学基础上发展起来的现代控制理论;第3代为20世纪60年代中期即已萌芽，在发展中综合了人工智能、自动控制、运筹学、信息论等多学科的最新成果并在此基础上形成智能控制理论。经典控制理论本质上是频域方法)和现代控制理论本质上是时域方法)都是建立在控制对象精确模型上的控制理论，而实际上的呼吸机系统中的控制对象和过程大多具有非线性、时变性、变结构、不稳定性、多层次、多因素等特点，难以建立精确的数学模型。因此，医学工程专家和学者希望能从要解决问题领域的知识出发，利用熟练操作者的丰富经验、思维和判断能力，来实现对医疗设备复杂系统的控制，这就是基于知识的不依赖于精确的数学模型的智能控制。呼吸机控制的发展经历了由开环到闭环，由单变量控制、单变量反馈到多变量控制、多变量反馈的演化。现在的呼吸机多为闭环多变量控制、多变量反馈型。检测反馈参数主要有吸入O2值、平均呼出CO2值、潮气末CO2值、动脉CO2值、动脉O2值及动脉pH值等。控制量多为吸入压力、潮气量、呼吸频率、吸呼比（I:E）、流速及空氧混合比等。对检测参数的测量有侵入式(如对动脉CO2值、O2值、pH值的测量)和非侵入式(如对平均呼出CO2值、潮气末CO2值、压力、流量等的测量)之分。2.1经典控制理论在呼吸机中的应用 呼吸机自动控制中一个最基木的概念是反馈，反馈理论的要素包括3个部分:测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。经典控制理论主要用于解决反馈控制系统中的控制器分析与设计问题。图1为反馈控制系统的简化原理框图。经典控制理论主要研究线性定常系统。所谓线性控制系统是指系统中各组成环节或元件的状态或特性可以用线性微分方程描述的控制系统。如果描述该线性系统的微分方程的系数是常数，则称为线性定常系统。描述自动控制系统输入量、输出量和内部量之间关系的数学表达式称为系统的数学模型，它是分析和设计呼吸机的基础。经典控制理论中广泛使用的频率法和根轨迹法，是建立在传递函数基础上的。线性定常系统的传递函数是在零初始条件下系统输出量的拉普拉斯变换与输入量拉普拉斯变换之比，是描述系统的频域模型。传递函数只描述了系统的输入输出关系，没有内部变量的表示。经典控制理论的特点是以传递函数为数学工具，木质上是频域方法，主要研究单输入单输出线性定常控制系统的分析和设计，对线性定常系统已经形成相当成熟的理论。典型的经典控制理论应用技术包括PID控制、Smith控制、解耦控制、Dalin控制、串级控制等。经典控制理论在呼吸机控制中应用广泛，有实用价值和意义。是进一步研究现代控制理论和智能控制理论的基础。下面以在呼吸机控制中常用的PID控制器作一介绍，PID（比例积分微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，因PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为呼吸机中应用最为广泛的控制器。SIEMENS 900C,航天长峰AM807等呼吸机使用PID控制，模拟PID控制系统原理框图如图2所示，系统由模拟PID控制器和受控对象组成。PID控制器由比例单元P)、积分单元I）和微分单元D)组成。其输入e(t)与输出u(t)的关系为:因此它的传递函数为: 简单说来，PID控制器各校正环节的作用是这样的: *比例环节:即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用以减小误差。 *积分环节:主要用于消除静差，提高系统的无差度，积分作用的强弱取决于积分时间常数TI,TI越大，积分作用越弱，反之则越强。 *微分环节:能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。PID控制器用途广泛、使用灵活，使用中只需设定三个参数（Kp, Ki和Kd）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。 虽然呼吸机控制过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基木线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID就可控制了。PID参数较易整定。也就是，PID参数Kp, Ki和Kd可以根据过程的动态特性及时整定。如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化引起系统动态特性变化，PID参数就可以重新整定。许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID参数。但仍不可否认PID也有其固有的缺点:PID在控制非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时，工作得不是太好。尽管如此，PID控制器是最简单的有时却是最好的控制器。2.2现代控制理论介绍 现代控制理论木质上是一种时域法。它引入了状态的概念，用状态变量及状态方程描述系统，因而更能反映出系统的内在本质和特性。从数学观点看，状态变量法简单的说就是将描述系统的高阶微分方程，改写成一阶联立微分方程组形式，或者将系统的运动直接用一阶微分方程组表示。这个一阶方程组就叫做状态方程。采用状态方程后，最主要的优点是系统的运动方程采用向量、矩阵形式表示，因此形式简单、概念清晰、运算方便，尤其对于多变量时变系统更是明显。设计系统的方法是基于确定一个控制规律或最优控制策略;利用计算机还能提供一系列解析设计方法，并有许多标准程序可用。设计时能考虑任务的初始条件。现代控制理论主要包括:系统辨识、最优控制、最优估计。它的主要应用技术包括自适应控制、鲁棒控制、大系统理论等。 现代控制系统从理论上解决了系统的可控性可观测性稳定性以及复杂系统的控制问题。但是对于复杂的大系统，控制对象控制器以及控制任务和目的日益复杂化，从而导致现代控制理论的成果很少在实际中得到应用。在呼吸机科研中，自适应控制和鲁棒控制技术常常和经典控制理论中的PID控制技术以及智能控制理论中的模糊控制等技术相结合，以达到良好的控制目的。2.3智能控制理论在呼吸机中的应用智能控制是指驱动职能机器自主地实现其目标的过程，是一类无需人的直接干预就能独立地驱动职能机器实现其目标的自动控制。它的特点如下:第一，在分析和设计智能控制系统时，重点要放在智能机模型上，即放在对非数学模型的描述、符号和环境的识别、知识库和推理机设计和开发上来，因为一些复杂大系统无法用精确的数学模型来描述。第二，智能控制的核心是高层控制，其任务是对实际环境或过程进行组织，即决策和规划，实现广义问题求解。第三，智能控制是一门边缘交叉学科，它是人工智能自动控制运筹学和信息论的四元结构交叉。第四，智能控制是一个新兴的研究和应用领域，有着诱人的发展前途。主要的智能控制理论有:递阶智能控制理论、专家智能控制理论、模糊智能控制理论、神经网络智能控制理论、定性控制理论等。近年来呼吸机研究中的智能控制技术尝试有:KUSIVAR系统引入了专家决策，VRM引入了模糊逻辑，VQ-ATTENDING系统引入医生顾问分析参数设置，RESPAID运用了机器自学习技术。下面以呼吸机研究中常用的模糊控制原理作一介绍。模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技术与自动控制技术相结合的产物。模糊控制的核心就是利用模糊集合理论，把人的控制策略的自然语言转化为计算机能够接受的算法语言所描述的控制算法，这种方法不仅能实现控制，而且能模拟人的思维方式对一些无法构造数学模型的被控对象进行有效的控制。如图3所示为模糊控制的工作原理框图。图中e为精确量表示的偏差;ec为精确量表示的偏差变化;u为精确量的控制输出。E、EC为模糊化的偏差及偏差变化;c为模糊控制量。图中用虚线框出的部分为模糊控制器。它由模糊化、模糊控制规则和模糊判决三部分组成。模糊控制不受数学模型的束缚，而是利用模糊语言，采用条件语句组成的语句模型，来确定各参数的控制规则或生成模糊控制表，并在实际调试过程中反复经人工修正。然后通过计算机采用查表法在控制表中找出相应的模糊控制量，最后经一定比例运算后得到实际控制量再加到被控对象上。 对于呼吸机这样时变的非线性的复杂系统，当无法获得精确的数学模型的时候，利用具有智能的模糊控制器能给出有效的控制。对于这些系统却具有大量的以定性的形式表示的极其重要的先验信息，以及仅仅用语言规定的性能指标。同时，要求过程的操作人员是系统的基木组成部分等。所有这些都是一种不精确性，应用一般的控制理论是很难实现控制的，但是，这类系统由人来控制却往往容易做到。这是因为医生的呼吸机操作方法是建立在直观的和经验的基础上，他们凭借实践积累的经验，采取适当的对策完成操作和治疗任务，于是，人们把医生和专家们的控制经验归纳成定性描述的一组条件语句，然后运用模糊集合理论将其定量化，使控制器得以接受医生的经验，模仿专家的操作策略，这样就产生了以模糊集合理论为基础的模糊控制器。模糊控制理论的提出是呼吸机控制思想的一次深刻的变革，它标志着人工智能在呼吸机应用中发展到了一个新的阶段。3 结语呼吸机作为一种重要的医疗仪器，它的控制方式的好坏关系到病人的安全性、舒适度以及治疗的可靠性、时效性，所以呼吸机系统控制方式