（机械设计及理论专业论文）基于模糊控制的呼吸机压力支持机械通气模式研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 摘要 呼吸机是当前医院重症监护室必备的抢救设备，是延长病人生命为进一步治疗争 取宝贵时问的重要工具。国产各种呼吸机基本均采用传统p i d 控制算法，与国外同类 产品相比，之所以有较大的差别，不在于功能的多少，而在于控制算法不够完善。呼 吸机由于其本身的特点决定了其被控模型的不确定性，高度非线性及系统信息的模糊 性，因此传统的p i d 控制算法很难实现系统对压力控制的要求。 近年来，模糊控制在许多控制应用中都取得了成功，模糊控制不需要了解系统的 数学模型，对于呼吸机的控制系统，模糊控制就成为较好的选择。 因此本课题在国家自然科学基金的资助下，开展了专门针对慢性阻塞性肺病和呼 吸机的压力支持通气( p s v ) 模式，利用模糊控制算法来替代原来的p i d 控制算法的 研究。 本文从呼吸机控制理论和模糊控制理论入手，将两者结合，对模糊控制理论在呼 吸机控制中的应用进行了研究。针对前人仅采用p i d 控制方法的不足，在控制方法上 采用了模糊控制，提高了控制效果。在v i s u a lc + + n e t 软件开发平台上，开发了基于 呼吸机的模糊控制技术的软件，满足了实时控制的要求。本论文中，采用三角形和梯 形隶属度函数、m a m d a n i 型模糊推理及系数加权平均法的非模糊化方法，以m a t l a b 为平台，建立了呼吸机的模糊控制器。 为了验证该模糊控制算法的正确性，进行了试验，根据输出结果曲线可以得出： 该模糊控制算法是可行的，能够满足呼吸机的自动控制的需要。 呼吸机的模糊控制方法的研究是一个崭新的课题，其研究成果必将全面推进呼吸 机控制技术的发展，该技术的应用具有较好的发展前景。 关键词：呼吸机；压力支持通气：模糊控制：控制算法 重量堡三奎茎三耋堡圭茎磐墼圣 a b s t r a c t t h ev e n t i l a t o ri st h en e c e s s a r ye q u i p m e n tf o rt h ei n t e n s i v ec a r eu n i t ( i c u ) ，w h i c hi s t h ei m p o r t a n tt o o lt ol e n g t h e nt h ep r e c i o u sl i f et i m eo f p a t i e n tt ot r e a t d o m e s t i cv e n t i l a t o r s b a s i c a l l yu s et h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o la l g o r i t h m c o m p a r e dw i t ht h eo v e r s e a ss i m i l a r v e n t i l a t o r , t h er e a s o nt h a th a st h eb i gd i f f e r e n c e ，d o e sn o tl i ei nt h ef u n c t i o nh o wm a l a y , b u t l i e si nt h ei n s u f f i c i e n tc o n t r o la l g o r i t h m b e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ev e n t i l a t o rh a d d e c i d e dt h a tt h em o d e li su n c e r t a i n ，h i g h l yn o n l i n e a ra n dt h ef u z z i n e s so ft h es y s t e m i n f o r m a t i o n t h e r e f o r e ，t h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o la l g o r i t h mi sv e r yd i f f i c u l tt om e e tt h e r e q u i r e m e n t so f t h ep r e s s u r ec o n t r 0 1 n o w a d a y s ，f u z z y c o n t r o lg e ts u c c e e di nm a n yc o n t r o la p p l i c a t i o n f o ri tn o tn e e dt o k n o wt h em a t h e m a t i cm o d e lo f t h es y s t e m ，i tb e c o m et h ef i r s tc h o i c ei nt h ec o n t r o ls y s t e m o f v e n t i l a t o r s p o n s o r e db yn a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n s f c ) ，t h es t u d yo f s u b s t i t u t i n gt h ef u z z yc o n t r o la l g o r i t h mf o rt h eo r i g i n a lp i dc o n t r o la l g o r i t h mi sd e v e l o p e d ， w h i c hi sa i m e da tt h ec h r o n i co b s t r u c t i v ep u l m o n a r yd i s e a s e ( c o p d ) a n dt h ep s vm o d e o f v e n t i l a t o r i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ea p p l i c a t i o no ff u z z yc o n t r o lt h e o r yo nv e n t i l a t o rc o n t r o ls y s t e m i ss t u d i e d ，b a s e do nc o m b i n a t i o no fa u t o m o t i v et h e o r ya n df u z z yc o n t r o lt h e o r y a f t e r g e t t i n ga ts h o r t c o m i n go fp r e v i o u sp i dc o n t r o lm e t h o d i m p r o v e m e n ta n dd e v e l o p m e n ta r e d o n e ，a n ds i m u l a t i o na n dt e s ta r ec a r r i e do u t t h ef u z z yc o n t r o l l i n ga l g o r i t h mp r o g r a mi s d e v e l o p e do nt h ep l a t f o r mo fv i s u a lc + + n e t , i tc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so fr e a lt i m e c o n t r 0 1 i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ef u z z yc o n t r o l l e ro fv e n t i l a t o ri se s t a b l i s h e do nt h ep l a t f o r m o ft h ef u z z y - l o g i ct o o l b o xb a s e do nm a t l a b ，u s i n gt h em e m b e rf u n c t i o no ft r i a n g l ea n d t r a p e z o i df u n c t i o n ，t h ef u z z yr e a s o n i n go fm a m d a n im e t h o da n dt h ed e f u z z i c a t i o ni s c e n t e r i o dm e t h o d i no r d e rt op r o v et h ef u z z yc o n t r o l l i n ga l g o r i t h m i cc o r r e c t n e s s ，t h ee x p e r i m e n th a s b e e nd o n e a c c o r d i n gt ot h eo u t p u tc u r v e i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ef u z z yc o n t r o l a l g o r i t h mi sf e a s i b l e ，c a nm e e tt h ed e m a n do f a u t o m a t i cc o n t r 0 1 j 1 要量堡三奎主三耋堡三茎堡鎏兰 t h er e s e a r c ho ff u z z yc o n t r o lo f v e n t i l a t o ri san e wp r o j e c t ，w h i c ha c h i e v e m e n ti su s e d f o r t h ed e v e l o p m e n to f t h ev e n t i l a t o rc o n t r o lt e c h n o l o g y t h ep r o j e c ti sp r o m i s i n g k e yw o r d ：v e n t i l a t o r ；p s v ( p r e s s u r es u p p o r t e dv e n t i l a t i o n ) f u z z yc o n t r o l ；c o n t r o la l g o r i t h m 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 呼吸机是当前医院重症监护室必备的抢救设备，是延长病人生命为进一步治疗争 取宝贵时间的重要工具。它通过机械装置、控制结构，根据不同的治疗目的，为呼吸 功能不全的病人提供呼吸支持。国外呼吸机专业厂商主要有美国的p u r i t a nb e n n e t t 公 司、b e a rm e d i c a ls y s t e m s 公司、3 mb i r d 公司、r e s p i r o n i c s 公司和n e w p o r t 公司、瑞 典g a m b r oe n g s t x o m 公司、德国s e i m e n s 公司、d r a g e r 公司等等。随着电子、机械技 术水平的不断提高及对呼吸生理学认识的加深，呼吸机的性能越来越完善，其适用范 围也日益扩大和普及【卜4 】。 1 1 课题来源 本文的研究得到了国家自然基金：自适应呼吸机的控制技术基础研究( 批准号： 6 0 3 4 3 0 0 7 ) 的资助，该研究对逐步改变我国高档呼吸机完全依赖进口的局面、提高我 国呼吸机的智能化通气水平和将来我国高档呼吸机的生产具有重大意义。 1 2 呼吸机国内外研究及应用现状 呼吸机是当前医院里重症监护病房必备的一种抢救设备，其发展历史可以追溯到 很久远的年代。至今呼吸机的按机械通气模式大致可以将其发展历程可以分为三个阶 段。 表卜1 通气模式发展历程 阶段时间通气模式标志性技术方法 第一阶段1 8 世纪1 9 世纪3 0 年代止压通气 风箱技术 第二阶段1 9 世纪1 9 世纪5 0 年代负压通气 铁肺 气管切开实行气囊间 第三阶段1 9 世纪5 0 年代至今正压通气 隙正压通气 2 0 世纪8 0 年代以来计算机技术的迅猛发展，使新一代多功能电脑型呼吸机具备 了以往不可能实现的功能，如监测、报警、记录等。 进入2 0 世纪9 0 年代，呼吸机不断向智能化方向发展，计算机技术的应用使呼吸 机的性能更臻完善。 青岛理工大学工学硕士学位论文 我国呼吸机的研制起步较晚，1 9 5 8 年在上海制成钟罩式正负压呼吸机。1 9 7 1 年 制成电动时间切换定容呼吸机。2 0 世纪8 0 年代末至今，我国呼吸机正逐渐与国际呼吸 机的技术发展水平接轨。现在国内许多厂家已经能研制出适合各种病情的多模式高档 呼吸机1 5 j 。 传统的正压通气分为“定容”( v o l u m ec o n t r 0 1 ) 和“定压”( p r e s s u r ec o n t r 0 1 ) 两 大方式。v c 的缺点是当气道阻力r 。升高或胸肺顺应性c 降低时，可能产生过高的气 道压( 只，一h ) ，导致气压伤的危险：其次，v c 模式不能对病人的通气需求变化做出 及时反应，易致人一机对抗，从而增加呼吸做功，增加应用镇静荆或肌松剂的需要。 实践证明，v c 模式的并发症发生率和死亡率较高，尤其是长期接受辅助机械通气的病 人。因此，p c 通气模式又重新被人们重视。但p c 的缺点是当r 。或c 改变时，潮气 量不能保证，所以临床上提出如何将v c 和p c 的优点兼顾，即保证潮气量的供给，又 要峰值压力p ，被限制在安全值之内，不致造成肺损伤。 智能化通气是新一代呼吸机研究的方向，现代呼吸机的研究目标是：通过计算机 智能分析技术与呼吸生理学相结合，使呼吸机具有学习功能和预测功能，适应各种患 者和不同临床情况，自动获得患者吸气努力和呼吸机供气之恻的压力、流速和容量关 系，简化参数的设置和通气过程中的调试，模拟医生实施机械通气的全过程。当肺顺 应性及气道阻力等因素变化时，能及时预测患者需求的流速及容量，自动设置和调整 呼吸机的参数来适应患者的呼吸能力和通气需要。患者无自主呼吸时，提供控制通气， 自主呼吸功能恢复时提供支持通气，而且自主或支持通气，均在患者当时的呼吸力学 状态下，以最低气道压和最佳频率来适应通气目标( 每分通气量) ，使患者和呼吸机 之间保持和谐【h 】。 近2 0 年来，国外发展较快的通气新模式有三大类：自主呼吸模式、双重控制模 式和闭合环通气。闭合环通气也就是“全自动控制”或“智能化通气”模式。呼吸机 获取患者的通气需要和各种相关资料，如呼吸阻力、顺应性、内源性呼气末正压 ( p e e p i ) 、潮气量( 巧) 、有效潮气量( ) 、每分通气量( k ) 等，微处理机对以 上监测指标即输入参数( i n p u t ) 进行综合分析，必要时通过物理学、生理学原理和数 学公式运算，形成指令，即输出函数( o u t p u t ) ，呼吸机按指令对通气参数进行调控， 青岛理工大学工学硕士学位论文 自动调整呼吸机参数，形成更为完善的按需通气，尽可i i i i 强机器智能化，实现接近 生理性呼吸的机械通气。闭合环通气c l v 可包括从非常简单到复杂的技术，最简单的 形式是仅根据1 个输入参数的监测，控制呼吸机的1 个输出参数。如p s v 模式，医生 设定目标压力，呼吸机监测气道压，控制规则系统持续调整流量( 输出参数) 以达到 理想的压力。更复杂的模式可同时监测多个输入参数和控制多个输出参数，这更与临 床上医生调控呼吸机和患者对机械通气的生理反应相类似。综合近年的文献，已经装 机的闭合坏通气模式有分钟指令性通气m 州、容量保证压力支持通气v a p s 、压力调节 容积控制通气p r v c 、自适应支持通气a s v 以及尚处于研究阶段而未装机销售的一些通 气模式，如气道闭合压控制压力支持通气( p r e s ss u p p o r tc o n t r o l l e db ya i r w a yo c c l u s i o n p r e s s u r ev e n t i l m i o n ) 、以知识为基础系统( k n o w l e d g e b a s e ds y s t e m ) 、机械通气的模糊 逻辑控制( f h z z yl o g i cc o n t r o lo f m e c h a n i c a lv e n t i l a t i o n ) 以及神经调节通气辅助( n e u r a l l y a d j u s t e dv e n t i l a t o r ya s s i s t ) 。近年来闭合环通气模式的发展趋势几乎都是以定压型通气 ( 主要是p s v ) 模式来工作的，通过不断调控压力水平来达到不同的目标】。 1 3 模糊控制国内外研究及应用现状 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。自从这门科学诞生以来，它产生了许多探索 性甚至是突破性的研究与应用成果，同时，这一方法也逐步成为了人们思考问题的重 要方法论。 i 、模糊逻辑的诞生 1 9 6 5 年美国的控制论专家l ia z a d e h 教授创立了模糊集合论，从而为描述，研 究和处理模糊性现象提供了一种新的工具。一种利用模糊集合的理论来建立系统模 型，设计控制器的新型方法模糊控制也随之问世了。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【8 】。 2 、模糊逻辑控制的应用 1 9 7 4 年，英国的e h m a m d a n i 首次用模糊逻辑和模糊推理实现了第一个试验性 的蒸汽机控制，宣告了模糊控制的诞生。随后产生了许多应用的例子。至今为止，模 糊控制已经经历了两个阶段。 青岛理工大学工学硕士学位论文 表1 2 模糊控制发展历史 阶段时间标志性事件 简单模糊控制阶段 1 9 7 41 9 7 9 以m a m d a n i 开创模糊控制为起点 以一j p r o c k y 和e h m a m d a n i 自我完善模糊控制阶段1 9 7 9 至今提出了语言自组织过程控制器为 开始标志 3 、模糊集成电路的出现及发展 1 9 8 0 年，日本熊本大学山川烈副教授试制出了第一个模糊集成电路。随后各国都 展开了积极的研究，制造出了各式各样的模糊芯片。1 9 9 1 年，美国n e u r a l l o g i x 公司 把多种模糊集成电路投入市场。 4 、模糊研究在中国的发展情况 1 9 7 9 年，李宝缓，刘志俊等人开始了模糊控制器的研究工作，表明中国也加入到 了模糊研究的领域中。 模糊控制作为智能领域中最具有实际意义的一种控制方法，已经在工业控制领 域，家用电器自动化领域和其他很多行业中解决了传统控制方法无法或者是难以解决 的问题，取得了令人瞩目的成效。已经引起了越来越多的控制理论的研究人员和相关 领域的广大工程技术人员的极大兴趣。但是我们也应该看到，模糊控制的理论和应用 虽然已经取得了很大的进展，但是就目前的状况来看，尚缺乏重大的突破，因此模糊 控制无论在理论和应用上都有待于进一步的深入研究和探讨【1 2 】。 1 4 课题的提出及研究意义 国内呼吸机都是在消化吸收国外呼吸机的基础上而设计生产的一系列中低档产 品，重点着眼于基本功能的增加、采集和存储信息的电子化方式，但产品的安全性、 可靠性、治疗有效性以及减少损伤等方面却远远不及国外产品。因此，目前我国市级 以上医院仍基本上全部采用进口机。 压力和流速是呼吸机控制系统中的两个关键参数，国内的呼吸机控制系统都是利 用简单的闭环控制系统，通过压力传感器、流量传感器测得参数的动态变化，由微机 根据数据采集结果调节吸气阀，从而控制气道中的压力和流速。控制算法非常简陋， 因而病人感觉不舒服，“呼吸机肺”、“吹死人”的现象时有发生。 给予病人温柔的呼吸治疗并令他尽快脱离呼吸机是新一代呼吸机的设计理念。未 4 青岛理工大学工学硕士学位论文 来呼吸机发展的趋势是：对呼吸功的作用更加全面，使其不仅能较好地代行肺通气功 能，而且能为气体交换甚至氧的运输提供理想的支持；电子计算机的更新换代给呼吸 机的智能化和升级带来新的特色；确保疗效的无刨通气的发展和负压通气的应用使特 殊类型的呼吸机有更进一步的改进和更广泛的前景。 国内的呼吸机都是在消化吸收国外先进呼吸机的基础上，结合我国国情设计生产 的一系列高、中、低档呼吸机，国产呼吸机与国外同类产品相比之所以有比较大的差 别，不在于其功能的多少，而在于控制算法不够完善，国产各种呼吸机基本均采用传 统p i d 控制方式。但是由于气体具有可压缩性，在运动时会引起密度的变化，同时气 体具有粘性，影响气体在管道中的流动，而且病人的情况也各不相同，这些因素导致 了被控模型的不确定性、高度非线性及系统信息的模糊性。因此经典的控制算法是很 难实现系统对流速和压力控制的要求的。 压力支持通气( p s v ) 是介于正压通气和负压通气之间的一种通气方式。它并不 是主动迫使空气以预定时间间隔进入肺部，当病人尝试自主呼吸而又不能完全自主呼 吸时，p s v 提供负的空气压力给与病人呼吸支持。这种负压减少了病人所需做的“呼 吸功”，提高了病人自身的能力。这种模式现在仍然是国际上研究的热点。同时慢性 阻塞性肺病( c o p d ) 是一种以气流受限为特征的疾病，通常呈进行性发展，不完全可逆， 多与肺部对有害颗粒物或有害气体的异常炎症反应有关。老年人随着年龄的增长，与 呼吸有关的很多解剖结构也发生了变化，包括胸廓、肺容量、支气管及肺和血管壁均 发生了改变，进而影响了呼吸功能。因此，老年人更易患c o p d 或者患c o p d 后临床 表现更加严重。并且中国在最近2 0 年内，老年人的数量越来越多。因此，近年来国 内外对c o p d 的研究及临床诊治日益重视。 综上所述，本课题专门针对阻塞性肺病患者，展开了对改进压力支持通气( p s v ) 模式的控制算法的研究。这是一个综合性的难度大的应用性课题，从调研结果和文献 检索来看，这项研究具有较大的技术意义和实际意义，具有较大的应用潜力。 1 5 课题的可行性分析 本课题研究所在的实验室，经过多年的发展，现已颇具规模，实验室拥有各种函 数信号发生器、美国f l u k e 公司生产的多功能精密示波器、e 3 1 2 b 型通用计数器、数 字示波器、可编程线性电源、嵌入式单板计算机、伟福g 6 w 型仿真器、f p g a c p l d 仿 真器等，在嵌入式微处理器、传感器的应用方面有着多年的经验。 青岛理工大学工学硕士学位论文 同时，近年来一直与淄博科创电子有限公司合作从事医疗器械的研究开发，2 0 0 2 年合作开发成功的多模式网络呼吸机已成功推向市场，该机采用自行开发的数据采集 器采集患者的呼吸参数：在d e l p h i 环境下开发了以p c 机为控制平台的呼吸机监控软 件；并将网络技术应用于呼吸机监控系统，实现了呼吸机数据动态、集中管理与共享； 采用多媒体技术进行声光报警。该项目的开发成功是对本项目的有力支持。 本论文只研究一种通气模式的智能化，该通气模式是针对阻塞性肺病患者，因而 使专家知识库不至于过分庞大而无法实现，呼吸机的控制对象具有非线性、时变以及 难以建立精确数学模型等特征，而这正是自适应模糊神经网络控制技术典型的应用对 象，所以该研究是可行的。 1 6 论文的主要内容 根据课题的相关背景和技术发展现状，在国家自然科学基金的资助下，开展了专 门针对阻塞性肺病患者，构成模糊控制系统，模拟医生实现机械通气的全过程，并为 将来自适应呼吸机控制系统的开发建立一个实验平台。 本论文做为此研究课题的一部分，其主要研究的内容包括下面四个方面： ( 1 ) 提出一种模糊逻辑控制新型控制系统： ( 2 ) 获取阻塞性肺病患者机械通气过程的主要生命体征参数和压力调节数据， 通过对大量临床数据的分析，和临床医生共同建立专家知识库： ( 3 ) 研究基于模糊逻辑的控制算法，简化呼吸机参数的设置和通气过程中的调 试，提高控制效果； ( 4 ) 通过m a t l a b 的模糊逻辑工具箱生成和编辑模糊控制规则，对监测到的并已 进行模糊化的病人呼吸状态参数进行综合评估，得到关于患者的状态值以及状态趋势 值，从而精确化计算输出控制量的大小。同时得到模糊控制器仿真模块，为自适应呼 吸机控制系统的下一步仿真提供了不可缺少的仿真模块。 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章呼吸机的模糊控制系统设计 由于呼吸机的主要功能是辅助通气，而对气体交换的影响相对较少，因而称为通 气机( v e n t i l a t o r ) 更符合实际情况。本文沿用习惯叫法，称v e n t i l a t o r 为呼吸机。 当呼吸器官不能维持正常的气体交换，发生( 或可能发生) 呼吸衰竭时，以机械 装置代替或辅助呼吸肌的工作，此过程称为机械通气，所用机械装置称为通气机 ( v e n t i l a t o r ) 。美国胸科学会对通气机所作的定义是：“为增加或代替患者自主通气而 设计的一种装置”。一般呼吸机的基本构造如图卜1 所示 气源气路控制开关 一加泓加雠置 控制系统+ +呼气控制开关 图2 - l 呼吸机的基本构造示意图 由图2 1 可以看出，呼吸机本质上是一种气体开关，控制系统通过对气体流向的 控制而完成辅助通气的功能。 任何一个呼吸机的工作原理都在于建立一个大气肺泡压差，达到肺的通气。 呼吸机经呼吸道开口以气体直接加压，此压力超过肺泡压时，产生压力差，气体便进 入肺部，此状态为吸气状态：由于肺泡内压力大于大气压，且管道与大气相通，因此 当呼吸机停止送气后，胸廓回缩，释去压力，则肺泡压高于大气压，肺泡内气体便排 出体外，此状态为呼气状态。如在呼气阀门加些限制，则产生呼气末正压。 2 1 呼吸机压力支持通气模式的工作原理 2 1 1 压力支持通气( p r e s s u r es u p p o r tv e n t i l a t i o n ) 压力支持通气( p r e s s u r es u p p o r tv e n t i l a t i o n ，p s v ) 是指在自主呼吸时，患者开始 -+ 青岛理工大学工学硕士学位论文 吸气后，呼吸机即提供预设气道正压，以帮助患者克服吸气阻力和扩张肺脏。当吸气 流速降至最高吸气流速的的2 5 时，呼吸机终止送气，允许患者呼气。p s v 的最重要 特点就是能较好地与患者的吸气流速的需要配合，从而减少患者所做的呼吸功。 图2 - 2p s v 的流程示意图 青岛理工大学工学硕士学位论文 p s v 的特点： ( 1 ) 患者完全自主呼吸，自己决定吸气流速方式、呼吸深度、吸气时间和呼吸 时间； ( 2 ) 潮气量的大小取决于p s 水平的高低和自主吸气的强度，一般p s 3 0 c m h 2 0 时，v ，多数由呼吸机提供，此时相当于 同步提供i p p v ( 控制通气) 。患者可以根据p a c o ，的高低自行调节自主呼吸频率、吸 气强度和吸气时间； ( 3 ) p s v 能有效克服呼吸机管道回路产生的阻力，减少患者额外做功，有利于 呼吸肌疲劳的恢复。 压力支持通气( p s v ) 方式是自2 0 世纪8 0 年代以来在有自主呼吸的前提下，每 次吸气都接受一定水平的压力支持，以辅助和增强病人的吸气能力，增加病人的吸气 深度和吸入气量。 1 、工作原理 设定吸气压力或支持压力，吸气压力随病人的吸气动作开始，并随吸气流速减少 到一定程度或病人有呼气努力而结束。它与i p p v 有类似之处，但支持的压力恒定， 受吸气流速的反馈调节1 2 1 。 p s v 的压力多呈方波型。应用此种通气功能时，事先只需设定吸气压力和触发灵 敏度，病人可独立控制吸、呼气时间，并与支持压力共同调节吸气流量和潮气量。 2 、流程图 流程图如图2 - 2 所示。维持气道压力，根据各个触发条件判断触发，如果触发立 即进行下一个周期。 2 1 2 压力支持通气模式的压力支持水平 今天生产的大多数呼吸机都是使用比例流量控制阀来控制向病人输送气体的多 少。p s v 和其它的呼吸机模式却要求在病人的体内有个稳定的压力而不是恒定的流 量，因而要使用控制算法来确定保持恒定压力所需要的流量。一部分呼吸机使用古老 的p i d 控制器来完成这一任务，结果会因为病人的不同而差别较大，这就迫使呼吸机 制造商采用非常保守的方式来调整p i d ：一部分呼吸机的控制算法是基于反馈原理， 结果呼吸机都不能产生最佳的压力波形。本项目要解决的关键问题是：建立一种能够 青岛理工大学工学硕士学位论文 提供更好更稳定压力波形的压力控制算法，特别是在p s v 呼吸模式时一旦检测到病人 的自主呼吸，要提供尽可能精确的压力方波。 常用的压力支持水平为5 3 0 c m h 2 0 ，某些呼吸机甚至能提供高达7 0 l o o c m h 2 0 的p s 。选用p s 的高低取决于患者的自身体征参数，比如通气需要、自主呼吸能力、 气道阻力和肺顺应性。通常调整p s 使潮气量达到8 1 0 m l k g ，呼吸频率1 5 2 5 次 m i n ，并且观察患者是否有呼吸困难体征。过高的p s 会导致通气过度和或呼吸暂停， 过低的p s 则会引起患者呼吸困难和呼吸肌疲劳，导致二氧化碳潴留和低氧血症。 2 2 呼吸机模糊控制设计 2 2 1 常用呼吸机控制原理 p i d ( 比例一积分一微分) 控制器作为最早实用化的控制器已有5 0 多年历史，因 为p i d 控制器简单易懂，使用中不需要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。s i m e n s9 0 0 c 、航天长峰a m s 0 7 等呼吸机使用p i d 控制， 模拟p i d 控制系统原理框图如图2 3 所示，系统由模拟p i d 控制器和受控对象组成。 图2 - 3 模拟p i d 控制系统原理框图 p i d 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： “( f ) = 足，p ( ，) + k 。f e ( f ) d r + k d 百d e ( t ) ( 2 1 ) 因此它的传递函数为： g 2 豁+ 等城 协：， 简单来说，p i d 控制器各校正环节的作用是这样的： ( 1 ) 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 青岛理工大学工学硕士学位论文 制器立即产生作用以减少误差。 ( 2 ) 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，时间常数越大，积分作用越弱，反之越强。 ( 3 ) 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 少调节时间。 p i d 控制器用途广泛、使用灵活使用中只需设定三个参数( k 。、k ，和k 。) 即 可。在很多情况下，并不一定需要全部单个单元，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。 p i t ) 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，工作地不是 太好。最重要的是，p i d 控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都没用。 2 2 2 模糊控制实现 2 2 2 1 模糊控制系统的组成 模糊控制系统是一种自动控制系统，它是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示 和模糊逻辑推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数字控 制系统。 举例来说，人工控制的基本方法是，操作者凭借眼、耳等传感器官，从声、光或 数据显示器上得到系统的输入值( 包括设定值) 和输出值，并在脑中转化为模糊概念， 如温度偏高，温度变化较小等。然后，操作者就可以用这些信息，根据已有的经验来 分析判断，得出相应的控制决策，如将温度调高些等等，并操作控制器，实现对工业 对象的控制。可以看出在人们对工业过程进行控制时，是不断地将测量到的输入和过 程输出的精确量转化为模糊量，经过模糊推理后，再将决策的模糊量转化为精确量， 去实现控制动作。这个过程是凭借人们的经验本能实现的。 而模糊控制系统也和此类似，同时模糊控制算法也是一种新型的计算机数字控制 算法，因此模糊控制系统具有数字控制系统的一般结构形式，其系统组成如图2 1 所 刁i 。 从图2 - 4 可知模糊控制系统由四大部分组成。 ( 1 ) 模糊控制器 它是整个系统的核心，实际上是一台微型计算机，主要完成输入量的模糊化、模 糊关系运算、模糊决策及决策结果的非模糊化处理( 精确化) 等重要过程。可以说，一 个模糊控制系统的性能指标的优劣在很大程度上取决于模糊控制器的“聪明”程度。 ( 2 ) 输入输出接口电路 模糊控制器通过输入输出接口，从被控对象获取数字量信号，并将模糊控制器决 策的输出数字信号经过数模转换，将其变换为模拟信号，然后送给被控对象。前向通 道的a d 转换电路把传感器检测到的反映被控对象输出量大小的模拟量转换成为微 机可以接受的数字量，送到模糊控制器进行运算：d a 转换把模糊控制器输出的数字 量转换成与之成比例的模拟量，控制执行机构的动作。在实际控制系统中，选择a d 和d a 转换器主要应该考虑转换精度、转换时间以及性能价格等三个因素。 ( 3 ) 广义对象 广义对象包括执行机构和被控对象。常见的执行机构包括电磁阀、伺服电动机等。 被控对象可以是线性的，也可以是非线性的，可以是定常的，也可以是时变的，对于 一些难以建立精确数学模型的复杂对象，更适宜采用模糊控制。 ( 4 ) 传感器。 传感器是将被控对象或各种过程的非电量转换为电信号的一类装置。这些非电 量，可能是位移、速度、加速度、温度、压力、流量、浓度、湿度等。在模糊控制系 统中，应选择精度高并且稳定的传感器，否则，不仅控制精度没有保证，而且可能出 现失控现象，甚至发生事故。 图2 - 4 含模糊控制系统方框图 目前，模糊控制主要还是建立在人的直觉和经验的基础上。这就是说，操作人员 对被控系统的了解不是通过精确的数学表达式，而是通过操作人员丰富的经验和直观 的感觉。这种方法可以看成是一组探索式决策规则。由于人的决策过程本质上就是具 青岛理工大学工学硕士学位论文 有模糊性的，因此，控制动作并非稳定一致，而是具有一定的主观性。但是，有经验 的模糊控制设计人员可以通过对操作人员的观察和与操作人员交谈讨论，用语言把操 作人员的控制策略描述出来，以构成一组用语言表达的定性的决策规则。如果把那些 熟练技术人员的经验进行总结和形式化描述，用语言表达成一组定性的条件语句和不 精确的决策规则，然后利用模糊集合作为工具使其定量化，设计一个控制器，用形式 化的人的经验法则模仿人的控制策略，再驱动设备对复杂的工业过程进行控制，这就 是模糊控制器。 2 2 2 2 模糊控制器的基本结构 模糊控制系统的组成核心是具有智能性的模糊控制器。无疑，模糊逻辑控制系统 是一种典型的智能控制系统，在控制原理上它应用模糊集合论、模糊语言变量和模糊 逻辑推理的知识，模拟人的模糊思维方法，对复杂过程进行控制。模糊逻辑控制的基 础是模糊逻辑。模糊逻辑从含义上比其它传统逻辑更接近人类的思想和自然语言。它 能够对真实世界模糊控制器设计原理的近似的、不确切的特征进行刻画。实际上，模 糊逻辑控制是利用模糊逻辑建立一种“自由模型”的非线性控制算法，特别是在那些 采用传统定量技术分析过于复杂的过程或者提供的信息是定性的、非精确的、非确定 的系统中，模糊逻辑控制的效果是相当明显的。模糊逻辑控制系统的基本结构如图2 2 所示。从图中可以看出，模糊控制系统的主要部件是模糊化过程、知识库( 含数据库和 规则库) 、推理决策和精确化计算。很显然，模糊控制系统在结构上与传统的控制系统 没有太大的差别。主要不同之处在于控制器采用了模糊控制器。 图2 - 5 模糊控制器的结构图 模糊控制器的基本机构，如图2 5 所示，主要包括以下四个部分【1 0 】。 l 、模糊化 模糊化的作用是将输入的精确量转换成模糊化量。其输入量包括外界的参考输 入、系统的输出或者状态等。模糊化的具体过程如下： 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 1 ) 首先对这些输入量进行处理，以变成模糊控制器要求的输入量； ( 2 ) 将上述已经处理过的输入量进行尺度变换，使其变换到各自的论域范围： ( 3 ) 将已经变换到论域范围的输入量进行模糊处理，使原先精确的输入量变成 模糊量，并用相应的模糊集合表示。 2 、知识库 知识库中包含了具体应用领域中的知识和要求的控制目标。它通常由数据库和模 糊控制规则库两部分组成。 数据库主要包括各语言变量的隶属函数，尺度变换因子及模糊空间的分级数等。 规则库包括用模糊语言变量表示的一系列控制规则。它们反映了控制专家的经验 和知识。 3 、推理决策 推理决策是模糊控制器的核心，它具有模拟人基于模糊概念的推理能力：该推理 过程是基于模糊逻辑中的蕴含关系及推理规则来进行的。 4 、解模糊 解模糊的作用是将模糊推理得到的控制量( 模糊量) 变换为实际用于控制的清晰 量。它包含以下两部分内容： 将模糊的控制量进行清晰化变换，变成表示在论域范围的清晰量； 将表示在论域范围的清晰量经尺度变换成实际的控制量。 2 2 2 3 呼吸机的模糊控制系统 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，它是模糊控制系统理 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结合理 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的数学模型 的被控对象进行有效的控制。如图2 - 6 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，e c 为精确量表示的偏差变化率，u 为精确量的控制输出。e 、e c 模 糊化的偏差及偏差变化率，c 为模糊控制量。 模糊控制器是图中由模糊化、模糊控制规则和模糊判决三部分组成的。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，然后经过 青岛理工大学工学硕士学位论文 一定的运算得到实际的控制量再加到被控对象上。 图2 - 6 含模糊控制器的结构图 作为一种无需被控对象精确数学模型的控制语言，模糊控制在许多方面表现出其 极为优越的一面： 1 、不需要知道被控对象精确的数学模型，特别适合于复杂对象的控制问题。如 在不确定分布参数系统、强非线性系统等系统中，系统的数学模型非常复杂或根本就 无法建立，以及无法采用常规控制方法的系统。 2 、模糊控制的控制机理容易被接受。模糊控制直接来源于现场经验，采用类似 于人类语言的控制规则和控制策略，使其控制机理很容易被接受。 3 、控制规律间的模糊联接，使得控制器在相互矛盾的控制规则中找到折中的选 择，使之更接近于人类的智慧。 4 、模糊控制采用了模糊集概念和模糊联接，系统中的干扰和参数变化对控制效 果影响较小。 5 、在一般性的控制问题中，模糊控制效果在快速性和鲁棒性等方面都优于常规 控制器。 本论文只研究一种通气模式的智能化控制，该通气模式是针对阻塞性肺病患者， 因而使专家知识库不至于过分庞大而无法实现，呼吸机的控制对象具有非线性、时变 以及难以建立精确数学模型等特征，而这正是模糊控制技术典型的应用对象，所以该 研究是可行的。 模糊控制应用在呼吸机中后，其模糊控制系统如图2 7 所示。 青岛理工大学工学硕士学位论文 图2 7 呼吸机模糊控制系统图 2 3 参数选择与参数的模糊化 模糊控制器的输入、输出只能是精确的数值，然而模糊控制的原理采用的却是语 言规则进行推理，这中间将精确数据转化为语言值的过程即称为模糊化 ( f u z z i f i c a t i o n ) 。 2 3 1 输入输出语言变量确定 模糊控制器的语言变量是指其输入变量和输出变量。确定语言变量是设计模糊控 制器的第一步。在模糊控制器中通常将误差及其变化作为输入语言变量，而将被控过 程控制量的变化作为输出语言变量。这种结构反映了模糊控制器具有非线性p d 控制 规律，从而有利于保证系统的稳定性，并可以减少响应过程的超调量以及消弱其振荡 现象。 误差及其变化率以及控制量的变化常采用“大”、“中”、“小”3 个等级的模糊概 念。考虑到变量的正、负性，一般在设计模糊控制器时，人们对于误差、误差变化率 和控制量的变化等语言变量，常用“正大”( p b ) 、“正中”( p m ) 、“正小”( p s ) 、“零” ( o ) 、“负小”( n s ) 、“负中”( n m ) 、“负大”( n b ) 。显然语言变量可选取更多的值， 制定控制规则时更灵活，控制规则本身也比较细致，但相应地也使控制规则变得复杂， 制定起来就比较困难。因此，在选择语言变量时，既要考虑到控制规则的灵活性，又 要兼顾其简单与易行的要求。 通过获取3 0 位阻塞性肺病患者机械通气过程的主要生命体征参数和压力调节数 1 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 据，通过对大量临床数据的分析，和临床医生共同建立专家知识库。选取了呼吸频率 r r 、潮气量v ，、心率h r 、血氧饱和度s a 0 2 、呼吸频率r r 的变化率欲r ，和血 氧饱和度的变化率a s a 0 1 出为参数。 2 3 2 隶属度函数的确定 隶属函数的确定，应该反映出客观模糊现象的具体特点，要符合客观规律，而不 是主观臆想的。但是一方面由于模糊现象本身存在着差异，而另一方面，由于每个人 在专家知识、实践经验、判断能力等方面各有所长，即使对于同一模糊概念的认定和 理解，也会具有差别性，因此隶属函数的确定又带有一定的主观性，仅多少而异。正 因为概念上的模糊性，对于同一个模糊概念，不同的人会使用不同的确定隶属函数的 方法，建立不完全相同的隶属函数，但所得到的处理模糊信息问题的本质