呼吸機用比例閥的控制、狀態監測及診斷系統設計與實現

范昊男，黎明，張續，卯寧

深圳哈維生物醫療科技有限公司 研發部，廣東 深圳 518100

引言

呼吸機是一種能夠給無法自主呼吸或者自主呼吸通氣不足的患者提供機械通氣的裝置，它主要用于重癥監護室麻醉、急救以及居家護理等領域。隨著呼吸機臨床需求的不斷增加，技術也逐漸成熟，目前已發展為具有流量控制、壓力控制、氣體濃度控制、波形監測、自動觸發、報警提醒等功能的現代呼吸機，對保障人類的呼吸健康具有重要作用[1-3]。

比例閥作為一種開度連續可調的電控閥門，常被用來實現對高壓氣源輸入呼吸機內流量的精密控制，是帶高壓氣源接口呼吸機的核心關鍵元器件之一，它的運行精確性與可靠性與患者生命安全密切相關[4-5]。研究表明，比例閥的閥門開度與流經它的電流呈正相關，更大的電流對應更大的閥門開度，通常比例閥的廠商會提供一個針對特定氣源壓力的通過比例閥的氣體流量與電流的滯回曲線圖，且滯回曲線越窄，線性度越高，則代表比例閥的性能就越好。在比例閥的實際應用中，為了實現對流量的高精度控制，會將它與流量傳感器搭配構成閉環控制系統[6-10]。在比例閥的長期運行中，它的滯回曲線可能會發生改變，進而可能影響閥門控制系統的性能，因此需要對閥門控制系統的性能進行監測和診斷[11-14]。現有關于呼吸機比例閥控制的研究多集中于比例閥自身的運行控制上，如比例閥的模糊控制方法，這些研究并沒有針對比例閥長期運行的穩定性及可靠性設計運行狀態監測及診斷系統，不能識別比例閥的異常狀態[6-8]。為了實現呼吸機中比例閥的長期精密穩定運行，本文設計了一套呼吸機用比例閥的控制、狀態監測及診斷系統，旨在通過該系統實現對閥門輸出流量的精密控制，并對閥門的運行狀態進行監測，識別由于長期運行以及其他原因導致的閥門故障，以期提升呼吸機的可靠性和安全性。

1 比例閥控制的最小系統

呼吸機比例閥的最小系統如圖1所示，它包含了高壓氣源、將高壓氣體縮減到指定壓力的減壓閥、用于流量控制的比例閥、測量流經比例閥流量的流量傳感器以及根據流量傳感器采集到的流量對比例閥開度進行調整的控制板；同時圖1中高壓氣源經機械式減壓閥后的壓力為0.4 bar左右。比例閥來源于ASCO公司（美國），其最大輸入電壓為12 V，相應的最大電流為210 mA，實際測試表明，該比例閥的開啟電壓為4.5 V左右。在實際應用中，采用幅值為12 V、頻率為15 kHz的脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）信號驅動，利用面積等效原理，通過控制PWM信號的占空比來實現對比例閥的等效直流電壓控制[15-16]。

圖1 比例閥最小系統框圖

流量傳感器來源于SENSIRION（德國），它的量程為±200 L/min，最短更新時間為0.5 ms，全量程范圍內的精度為±2.5%。在實際應用中，流量傳感器的采樣頻率設定為1 kHz。控制板基于STM32F4系列芯片，根據來源于流量傳感器的氣體流量值對比例閥進行閉環控制。

2 比例閥特性測試與分析

為實現對比例閥的精密控制及運行狀態診斷，本研究對實驗所用的比例閥進行不同溫度下的性能測試與數據分析。

2.1 測試條件

比例閥的標稱工作溫度為0～50℃，比例閥的性能曲線會受到溫度的影響，因此在0～50℃的區間內，以10℃為步長，分別對比例閥的輸入輸出特性進行測試。比例閥的驅動信號是幅值為12 V的PWM電壓信號，PWM的占空比受主控芯片上的12位數字模擬轉換器（Digital-Analog Converter，DAC）的輸出電壓控制，該DAC的輸入（也稱DA指令）范圍是0～4095。具體內容：測試DA的輸入范圍為150～4095，步長為50，對應等效直流電壓為3.87～12.00 V，步長為0.1152 V。通過電壓逐步遞增的上行測試，以及反向的逐步遞減的下行測試來衡量比例閥在不同溫度下的壓力流量性質及其滯回性。

2.2 測試結果及數據分析

2.2.1 測試結果

在高低溫箱中測試得出的比例閥的電壓與流量關系曲線如圖2～3所示。圖2與圖3的區別在于橫坐標的單位不同。如圖2所示，在0～40℃區間內，隨著溫度的升高，比例閥電壓流量曲線整體逐漸向右偏移，同時曲線的滯回性逐漸增大，最大流量逐漸降低。高于40℃后，電壓流量曲線變化極小。另外，在各個溫度下，電壓與流量的關系曲線均表現出了明顯的分段特性，即以17 L/Min的流量值為分界點，流量高于17 L/min是滿足線性關系，低于17 L/min是近似滿足冪次關系。

圖2 比例閥輸入電壓與流量關系圖

圖3 比例閥控制DA與流量關系圖

為保證比例閥在不同溫度下長期運行的可靠性，根據圖2～3中的實測關系曲線，在比例閥所在的控制系統中將最大輸出流量限定在120 L/min，在此限定條件下，比例閥的電壓流量關系曲線在各個溫度下都近似滿足分段線性關系，且在比例閥未出現老化及損壞等情況下，限定的最大流量120 L/min都是可達的。

2.2.2 溫度特性分析

針對流量為0～120 L/min的測試數據，將各溫度下所測得的滯回曲線取平均值后得到單一曲線，基于該曲線對比例閥的溫度漂移特性進行分析。0～50℃分別對應溫度漂移的上確界與下確界，以二者的平均值曲線為基準來評估各溫度下的曲線偏移程度。

以各溫度下所得曲線橫向平移到基準曲線所需距離來定義曲線的溫度偏離程度。以50個DA為基準步長，應用最小二乘法[16]使經平移后各溫度下曲線與基準曲線的對應點的均方誤差和最小，經計算可得0～50℃平均曲線相對于基準曲線的偏移距離分別為-6、-3、-1、3、6、7個步長。由此可得出，在0～40℃的區間內，溫度每升高10℃，平均曲線向右約平移3個步長，即150個DA，在0～50℃的溫度區間內，比例閥特性曲線相對于基準曲線的最大偏離程度為±350個DA。

2.2.3 分段特性分析

以17 L/min為界，將圖3中的滯回曲線取平均值合并為一條曲線后再分割為兩部分，可得到圖4～5。對圖4中各個曲線進行線性最小二乘擬合[17-18]，擬合后0、10、20、30、40、50℃的直線斜率參數分別為0.07670、0.07232、0.06977、0.0655、0.06113、0.06146，擬合相關系數均大于0.995，滿足線性關系。以三次冪函數為模型對圖5中的曲線進行擬合，擬合精度均大于0.995，表明圖5中曲線符合三次冪函數關系。

圖4 線性段控制DA流量曲線

圖5 冪次關系段控制DA流量關系曲線

在0～50℃區間內，流量高于17 L/min時，擬合曲線的斜率介于0.06～0.08之間，可利用這一性質對比例閥的運行狀態進行診斷，當比例閥的控制DA流量曲線的斜率偏離上述區間一定程度后，即提示用戶需檢修或者更換比例閥，從而保障設備使用安全性。

3 比例閥控制及診斷系統設計與實驗

3.1 比例閥控制系統設計與實驗

根據圖2中比例閥在不同溫度下電壓與流量關系的實測曲線可知，比例閥的控制DA指令（u）與氣體流量（Q）的關系可用公式（1）表達，式中k，k1，k2，k3，c1，c2為待定常數，Δ1與Δ2為曲線的線性擬合誤差。由于不同的比例閥具有一定的一致性差異，且比例閥的運行特性曲線受溫度、上行、下行等因素的影響較大，因此公式（1）中參數k1、k2、k3、c1、k、c2的真實取值難以準確確定，因此采用圖6中的閉環控制系統，基于指令流量（Q*）與真實流量（Q）的誤差（e，e=Q*-Q）的反饋來對控制比例閥的指令DA進行實時調整，進而實現對流經比例閥流量的閉環控制。當流量誤差等于0時，比例閥需要一定的DA來維持流量，因此圖6中的控制器采用誤差積分控制器[19-20]，其表達式如公式（2）所示，式中ki為控制器的積分增益系數。

圖6 比例閥控制系統框圖

根據實際調試，積分控制器參數選取為0.4。針對50 L/min的階躍流量控制實驗結果如圖7所示；針對基線為50 L/min、振幅為20 L/min、角頻率為5 rad/s的正弦流量指令測試結果如圖8所示。圖9為圖7和圖8的局部放大顯示，由圖9可知，針對階躍流量指令測試，圖中的流量來源于流量傳感器的測量誤差，剔除野值后抖動范圍介于48.5～51.5 L之間，相對于指令流量50 L/min為±3%，對流量傳感器采集數據濾波后流量范圍在49.5～50.5 L/min之間，控制精度優于±1%。此外，對于階躍流量指令，系統的超調量幾乎為零。針對正弦指令流量跟蹤控制，最大超調量小于1.5 L/min，偏差在2.2%以內，上述指標能夠滿足設備對流量控制精度的要求[21]。

圖7 比例閥階躍流量控制曲線

圖8 比例閥正弦流量控制曲線

圖9 比例閥流量控制效果圖

3.2 比例閥運行狀態診斷系統設計與實驗

在比例閥的運行過程中，對其控制DA信號以及流量信號進行保存、判斷和分析，具體為當控制DA為50的整倍數時，存儲一次控制DA信號以及相應的流量傳感器采集到的流量。根據圖3中不同溫度下的控制DA和流量的關系曲線，以0℃和50℃曲線為基準，在對應的控制DA下，當讀取到的流量超出以0℃和50℃曲線為邊界的內部區域10%時，向用戶發送比例閥檢修提示。另外，每10 s對流量高于17 L/min的存儲信號進行1次分析。流量高于17 L/min時，比例閥的DA流量曲線呈線性關系，采用最小二乘的方法對這部分數據進行線性擬合，擬合曲線的斜率應介于0.06～0.08之間，如超出此區間，向用戶發送檢修提示。

在室溫下，以基線為50 L/min，振幅為20 L/min，角頻率為5 rad/s的流量指令作為測試指令，將上述提出的診斷系統采集到的10 s內的DA流量信號繪制成圖10，從圖10中可以看出，10 s內的數據未超出以0℃和50℃曲線為邊界的內部區域，對10 s內的采集的數據進行線性擬合后得到擬合曲線的斜率為0.06207，位于0.06～0.08的合理區間內，表明比例閥處于正常工作狀態。

圖10 比例閥運行狀態監測圖

3 討論

呼吸機使用壽命較長，醫用呼吸機通常為8年，在呼吸機長時間的運行過程中，呼吸機的比例閥將會逐漸出現老化等異常情況，這種異常將會給患者帶來不確定的風險。搭載這套比例閥的控制、狀態監測及診斷系統的呼吸機則可以在實現高精度氣流量控制的同時，對比例閥的運行狀態進行監測診斷，根據本文提出的方法及診斷指標，一旦比例閥工作狀態被判定為異常，呼吸機系統就能夠及時地通過器件維護報警提醒醫務人員通知廠家對機器進行檢修，該系統有效規避了由比例閥長時間運行老化帶來的不確定風險。

實驗測試結果表明，本文提出的呼吸機用比例閥的控制、狀態監測及診斷系統在不濾除傳感器噪聲的前提下能夠實現±3%的流量控制精度，濾除傳感器噪聲后控制精度優于±1%，且針對階躍流量指令基本無超調量，優于陳繼偉等[6]研究中5.56%的超調量，以及劉景康等[8]研究中±4%的穩態誤差。此外，現有的關于比例閥的研究多集中于對比例閥的控制，未見到有涉及比例閥運行狀態監測診斷系統的研究，本文創新地將比例閥的控制、狀態監測及診斷整合為一個系統，該系統可有效實現比例閥運行狀態參數的實時提取與診斷，當比例閥自身出現故障時，呼吸機能夠及時報警，提高了呼吸機整體的可靠性，具有重要的臨床應用價值。

4 結論

本研究所設計的呼吸機用比例閥的控制、狀態監測及診斷系統能實現對流經比例閥流量的精確控制，以及實時地采集比例閥的運行狀態數據，并根據采集到的數據，能夠自動實時地對比例閥的運行狀態做出診斷。當比例閥運行狀態出現異常時，該系統能夠及時提醒醫務人員更換備用呼吸機并通知廠家進行設備檢修，可有效避免由于比例閥故障而對患者造成的傷害，提升了呼吸設備的整體安全性，具有重要的應用價值。