一种模拟人肺自主呼吸运动装置及控制方法

摘要

本发明涉及呼吸生理医学研究领域，公开一种模拟人肺自主呼吸运动装置及控制方法，该装置包括模拟肺腔、弹簧、牵拉绳、流量传感器、显示触摸屏、电机驱动器、直流伺服电机及控制电路等组成。其中由显示触摸屏输入吸呼比、呼吸频率、潮气量和肺活量等呼吸生理参数，流量传感器检测通过模拟肺腔换气口的气流量，微控制器根据设定的呼吸参数及检测到的流量信号触发电机控制信号，进而电机控制牵拉绳的收线与放线动作，最后控制模拟肺腔的呼吸运动。这种模拟人肺呼吸运动装置更加符合人肺呼吸生理，在科学研究、教学、呼吸相关产品检验等场合具有极高的应用价值。

主权项

一种模拟人肺自主呼吸运动的控制方法，其特征在于，应用于模拟人肺自主呼吸运动装置，所述模拟人肺自主呼吸运动装置包括流量传感器、模拟肺腔上基板、弹簧、直流伺服电机驱动器、滑轮、牵拉绳、模拟肺腔换气口、控制电路、固定基柱、模拟肺腔下基板、直流伺服电机、卷绳轴承、模拟肺底层基板和模拟肺腔；所述固定基柱设置在模拟肺底层基板上，模拟肺腔上基板放置在固定基柱上，所述模拟肺腔放置在模拟肺底层基板与模拟肺腔上基板之间，模拟肺腔上设有模拟肺腔换气口，所述流量传感器安装在模拟肺腔换气口上，流量传感器的输出端接控制电路，控制电路接直流伺服电机驱动器；所述弹簧安装在模拟肺腔上基板和模拟肺腔下基板之间并处于拉伸状态；牵拉绳一端固定在模拟肺腔下基板上，另一端通过滑轮缠绕在直流伺服电机的卷绳轴承上；直流伺服电机驱动器驱动直流伺服电机；所述控制方法包括：流量传感器检测通过模拟肺腔换气口的气流量并传输到控制电路的微控制器，并设定呼吸生理参数；微控制器根据检测到的气流量和设定的呼吸生理参数进行分析处理，并产生电机驱动信号，控制直流伺服电机工作，从而控制牵拉绳的拉伸运动，最后控制模拟肺腔的呼吸运动；所述微控制器控制电机采用PID控制，其控制输出由离散PID公式：$u\left(n\right)=K_{p}e\left(n\right)+K_i{\Sigma }_{j=0}^{n}e\left(j\right)+K_d\Delta e\left(n\right)$其中：u(n)是第n个时刻点电机控制电压；K_p、K_i、K_d分别为PID控制的比例系数、积分系数及微分系数；e(n)是第n个时刻点的流量偏差值e(n)＝Q₀(n)‑Q(n)，Q(n)是指流量传感器检测到的第n时刻的实时流量值，Q₀(n)＝A_I×Q_Itar(n)+A_E×Q_Etar(n)，Q_Itar(n)和Q_Etar(n)分别为目标吸气和呼气流量值，当吸气时系数A_I＝1；A_E＝0，当呼气时系数A_I＝0；A_E＝1；是从0时刻到第n个时刻的偏差累积值；Δe(n)是偏差变化率Δe(n)＝e(n)‑e(n‑1)。