呼吸机用比例阀的控制、状态监测及诊断系统设计与实现

范昊男，黎明，张续，卯宁

深圳哈维生物医疗科技有限公司 研发部，广东 深圳 518100

引言

呼吸机是一种能够给无法自主呼吸或者自主呼吸通气不足的患者提供机械通气的装置，它主要用于重症监护室麻醉、急救以及居家护理等领域。随着呼吸机临床需求的不断增加，技术也逐渐成熟，目前已发展为具有流量控制、压力控制、气体浓度控制、波形监测、自动触发、报警提醒等功能的现代呼吸机，对保障人类的呼吸健康具有重要作用[1-3]。

比例阀作为一种开度连续可调的电控阀门，常被用来实现对高压气源输入呼吸机内流量的精密控制，是带高压气源接口呼吸机的核心关键元器件之一，它的运行精确性与可靠性与患者生命安全密切相关[4-5]。研究表明，比例阀的阀门开度与流经它的电流呈正相关，更大的电流对应更大的阀门开度，通常比例阀的厂商会提供一个针对特定气源压力的通过比例阀的气体流量与电流的滞回曲线图，且滞回曲线越窄，线性度越高，则代表比例阀的性能就越好。在比例阀的实际应用中，为了实现对流量的高精度控制，会将它与流量传感器搭配构成闭环控制系统[6-10]。在比例阀的长期运行中，它的滞回曲线可能会发生改变，进而可能影响阀门控制系统的性能，因此需要对阀门控制系统的性能进行监测和诊断[11-14]。现有关于呼吸机比例阀控制的研究多集中于比例阀自身的运行控制上，如比例阀的模糊控制方法，这些研究并没有针对比例阀长期运行的稳定性及可靠性设计运行状态监测及诊断系统，不能识别比例阀的异常状态[6-8]。为了实现呼吸机中比例阀的长期精密稳定运行，本文设计了一套呼吸机用比例阀的控制、状态监测及诊断系统，旨在通过该系统实现对阀门输出流量的精密控制，并对阀门的运行状态进行监测，识别由于长期运行以及其他原因导致的阀门故障，以期提升呼吸机的可靠性和安全性。

1 比例阀控制的最小系统

呼吸机比例阀的最小系统如图1所示，它包含了高压气源、将高压气体缩减到指定压力的减压阀、用于流量控制的比例阀、测量流经比例阀流量的流量传感器以及根据流量传感器采集到的流量对比例阀开度进行调整的控制板；同时图1中高压气源经机械式减压阀后的压力为0.4 bar左右。比例阀来源于ASCO公司（美国），其最大输入电压为12 V，相应的最大电流为210 mA，实际测试表明，该比例阀的开启电压为4.5 V左右。在实际应用中，采用幅值为12 V、频率为15 kHz的脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）信号驱动，利用面积等效原理，通过控制PWM信号的占空比来实现对比例阀的等效直流电压控制[15-16]。

图1 比例阀最小系统框图

流量传感器来源于SENSIRION（德国），它的量程为±200 L/min，最短更新时间为0.5 ms，全量程范围内的精度为±2.5%。在实际应用中，流量传感器的采样频率设定为1 kHz。控制板基于STM32F4系列芯片，根据来源于流量传感器的气体流量值对比例阀进行闭环控制。

2 比例阀特性测试与分析

为实现对比例阀的精密控制及运行状态诊断，本研究对实验所用的比例阀进行不同温度下的性能测试与数据分析。

2.1 测试条件

比例阀的标称工作温度为0～50℃，比例阀的性能曲线会受到温度的影响，因此在0～50℃的区间内，以10℃为步长，分别对比例阀的输入输出特性进行测试。比例阀的驱动信号是幅值为12 V的PWM电压信号，PWM的占空比受主控芯片上的12位数字模拟转换器（Digital-Analog Converter，DAC）的输出电压控制，该DAC的输入（也称DA指令）范围是0～4095。具体内容：测试DA的输入范围为150～4095，步长为50，对应等效直流电压为3.87～12.00 V，步长为0.1152 V。通过电压逐步递增的上行测试，以及反向的逐步递减的下行测试来衡量比例阀在不同温度下的压力流量性质及其滞回性。

2.2 测试结果及数据分析

2.2.1 测试结果

在高低温箱中测试得出的比例阀的电压与流量关系曲线如图2～3所示。图2与图3的区别在于横坐标的单位不同。如图2所示，在0～40℃区间内，随着温度的升高，比例阀电压流量曲线整体逐渐向右偏移，同时曲线的滞回性逐渐增大，最大流量逐渐降低。高于40℃后，电压流量曲线变化极小。另外，在各个温度下，电压与流量的关系曲线均表现出了明显的分段特性，即以17 L/Min的流量值为分界点，流量高于17 L/min是满足线性关系，低于17 L/min是近似满足幂次关系。

图2 比例阀输入电压与流量关系图

图3 比例阀控制DA与流量关系图

为保证比例阀在不同温度下长期运行的可靠性，根据图2～3中的实测关系曲线，在比例阀所在的控制系统中将最大输出流量限定在120 L/min，在此限定条件下，比例阀的电压流量关系曲线在各个温度下都近似满足分段线性关系，且在比例阀未出现老化及损坏等情况下，限定的最大流量120 L/min都是可达的。

2.2.2 温度特性分析

针对流量为0～120 L/min的测试数据，将各温度下所测得的滞回曲线取平均值后得到单一曲线，基于该曲线对比例阀的温度漂移特性进行分析。0～50℃分别对应温度漂移的上确界与下确界，以二者的平均值曲线为基准来评估各温度下的曲线偏移程度。

以各温度下所得曲线横向平移到基准曲线所需距离来定义曲线的温度偏离程度。以50个DA为基准步长，应用最小二乘法[16]使经平移后各温度下曲线与基准曲线的对应点的均方误差和最小，经计算可得0～50℃平均曲线相对于基准曲线的偏移距离分别为-6、-3、-1、3、6、7个步长。由此可得出，在0～40℃的区间内，温度每升高10℃，平均曲线向右约平移3个步长，即150个DA，在0～50℃的温度区间内，比例阀特性曲线相对于基准曲线的最大偏离程度为±350个DA。

2.2.3 分段特性分析

以17 L/min为界，将图3中的滞回曲线取平均值合并为一条曲线后再分割为两部分，可得到图4～5。对图4中各个曲线进行线性最小二乘拟合[17-18]，拟合后0、10、20、30、40、50℃的直线斜率参数分别为0.07670、0.07232、0.06977、0.0655、0.06113、0.06146，拟合相关系数均大于0.995，满足线性关系。以三次幂函数为模型对图5中的曲线进行拟合，拟合精度均大于0.995，表明图5中曲线符合三次幂函数关系。

图4 线性段控制DA流量曲线

图5 幂次关系段控制DA流量关系曲线

在0～50℃区间内，流量高于17 L/min时，拟合曲线的斜率介于0.06～0.08之间，可利用这一性质对比例阀的运行状态进行诊断，当比例阀的控制DA流量曲线的斜率偏离上述区间一定程度后，即提示用户需检修或者更换比例阀，从而保障设备使用安全性。

3 比例阀控制及诊断系统设计与实验

3.1 比例阀控制系统设计与实验

根据图2中比例阀在不同温度下电压与流量关系的实测曲线可知，比例阀的控制DA指令（u）与气体流量（Q）的关系可用公式（1）表达，式中k，k1，k2，k3，c1，c2为待定常数，Δ1与Δ2为曲线的线性拟合误差。由于不同的比例阀具有一定的一致性差异，且比例阀的运行特性曲线受温度、上行、下行等因素的影响较大，因此公式（1）中参数k1、k2、k3、c1、k、c2的真实取值难以准确确定，因此采用图6中的闭环控制系统，基于指令流量（Q*）与真实流量（Q）的误差（e，e=Q*-Q）的反馈来对控制比例阀的指令DA进行实时调整，进而实现对流经比例阀流量的闭环控制。当流量误差等于0时，比例阀需要一定的DA来维持流量，因此图6中的控制器采用误差积分控制器[19-20]，其表达式如公式（2）所示，式中ki为控制器的积分增益系数。

图6 比例阀控制系统框图

根据实际调试，积分控制器参数选取为0.4。针对50 L/min的阶跃流量控制实验结果如图7所示；针对基线为50 L/min、振幅为20 L/min、角频率为5 rad/s的正弦流量指令测试结果如图8所示。图9为图7和图8的局部放大显示，由图9可知，针对阶跃流量指令测试，图中的流量来源于流量传感器的测量误差，剔除野值后抖动范围介于48.5～51.5 L之间，相对于指令流量50 L/min为±3%，对流量传感器采集数据滤波后流量范围在49.5～50.5 L/min之间，控制精度优于±1%。此外，对于阶跃流量指令，系统的超调量几乎为零。针对正弦指令流量跟踪控制，最大超调量小于1.5 L/min，偏差在2.2%以内，上述指标能够满足设备对流量控制精度的要求[21]。

图7 比例阀阶跃流量控制曲线

图8 比例阀正弦流量控制曲线

图9 比例阀流量控制效果图

3.2 比例阀运行状态诊断系统设计与实验

在比例阀的运行过程中，对其控制DA信号以及流量信号进行保存、判断和分析，具体为当控制DA为50的整倍数时，存储一次控制DA信号以及相应的流量传感器采集到的流量。根据图3中不同温度下的控制DA和流量的关系曲线，以0℃和50℃曲线为基准，在对应的控制DA下，当读取到的流量超出以0℃和50℃曲线为边界的内部区域10%时，向用户发送比例阀检修提示。另外，每10 s对流量高于17 L/min的存储信号进行1次分析。流量高于17 L/min时，比例阀的DA流量曲线呈线性关系，采用最小二乘的方法对这部分数据进行线性拟合，拟合曲线的斜率应介于0.06～0.08之间，如超出此区间，向用户发送检修提示。

在室温下，以基线为50 L/min，振幅为20 L/min，角频率为5 rad/s的流量指令作为测试指令，将上述提出的诊断系统采集到的10 s内的DA流量信号绘制成图10，从图10中可以看出，10 s内的数据未超出以0℃和50℃曲线为边界的内部区域，对10 s内的采集的数据进行线性拟合后得到拟合曲线的斜率为0.06207，位于0.06～0.08的合理区间内，表明比例阀处于正常工作状态。

图10 比例阀运行状态监测图

3 讨论

呼吸机使用寿命较长，医用呼吸机通常为8年，在呼吸机长时间的运行过程中，呼吸机的比例阀将会逐渐出现老化等异常情况，这种异常将会给患者带来不确定的风险。搭载这套比例阀的控制、状态监测及诊断系统的呼吸机则可以在实现高精度气流量控制的同时，对比例阀的运行状态进行监测诊断，根据本文提出的方法及诊断指标，一旦比例阀工作状态被判定为异常，呼吸机系统就能够及时地通过器件维护报警提醒医务人员通知厂家对机器进行检修，该系统有效规避了由比例阀长时间运行老化带来的不确定风险。

实验测试结果表明，本文提出的呼吸机用比例阀的控制、状态监测及诊断系统在不滤除传感器噪声的前提下能够实现±3%的流量控制精度，滤除传感器噪声后控制精度优于±1%，且针对阶跃流量指令基本无超调量，优于陈继伟等[6]研究中5.56%的超调量，以及刘景康等[8]研究中±4%的稳态误差。此外，现有的关于比例阀的研究多集中于对比例阀的控制，未见到有涉及比例阀运行状态监测诊断系统的研究，本文创新地将比例阀的控制、状态监测及诊断整合为一个系统，该系统可有效实现比例阀运行状态参数的实时提取与诊断，当比例阀自身出现故障时，呼吸机能够及时报警，提高了呼吸机整体的可靠性，具有重要的临床应用价值。

4 结论

本研究所设计的呼吸机用比例阀的控制、状态监测及诊断系统能实现对流经比例阀流量的精确控制，以及实时地采集比例阀的运行状态数据，并根据采集到的数据，能够自动实时地对比例阀的运行状态做出诊断。当比例阀运行状态出现异常时，该系统能够及时提醒医务人员更换备用呼吸机并通知厂家进行设备检修，可有效避免由于比例阀故障而对患者造成的伤害，提升了呼吸设备的整体安全性，具有重要的应用价值。