[发明专利]氧气面罩呼吸腔压力调节半实物仿真系统

摘要

一种氧气面罩呼吸腔压力调节半实物仿真系统。半实物仿真系统中的肺式调节阀结构数学模型、呼气阀门数学模型、呼吸数学模型和面罩呼吸腔数学模型由PC机中的Matlab平台实现，分别用来描述肺式调节阀结构、呼气阀门、呼吸过程和面罩呼吸腔内的气体流量特性。半实物仿真系统中的控制系统以STM32F407IGT6微处理器为核心，用来运行控制算法。PC机与控制系统通过RS232串口进行通讯。本发明是氧气面罩呼吸腔压力调节器控制方案开发过程中对比不同控制算法效率的半实物仿真系统，具有控制算法与应用对象结构灵活、接口通用等优点，可提前发现问题并及时解决，缩短了控制方案的开发周期，节约成本。

主权项

1.一种氧气面罩呼吸腔压力调节半实物仿真系统，其特征在于：该系统包括控制系统、肺式调节阀结构数学模型、呼气阀门数学模型、呼吸数学模型和面罩呼吸腔数学模型；所述的肺式调节阀结构数学模型、呼气阀门数学模型、呼吸数学模型和面罩呼吸腔数学模型由PC机中的Matlab平台实现，分别用来描述肺式调节阀结构、呼气阀门、呼吸过程和面罩呼吸腔内的气体流量特性；所述的控制系统以ARM微处理器为核心，用来运行控制算法；所述的肺式调节阀结构数学模型、呼气阀门数学模型和呼吸数学模型分别连接面罩呼吸腔数学模型，PC机中的面罩呼吸腔数学模型将解算出的系统输出信号通过RS232串口传递给控制系统来解算控制信号，所述的控制系统同时将解算出的控制信号通过RS232串口传递给PC机中的肺式调节阀结构数学模型来解算系统输出；所述的面罩呼吸腔数学模型具体描述为：其中，(·)′为对时间求导算子，P(t)为面罩呼吸腔内气体绝对压力，(t)表示该值随着时间的变化而变化，下同，R为气体常数，T为面罩呼吸腔内气体温度，Gp(t)为肺式调节阀结构数学模型输出，Ge(t)为呼气阀门数学模型输出，Qb(t)为呼吸数学模型输出，v(t)为面罩呼吸腔与肺内的气体体积之和；所述的肺式调节阀结构数学模型具体描述为：其中，u(t)为作用于肺式调节阀结构的控制信号，Tv＝0.04为比例流量阀惯性时间常数，a＝0.0087，b＝‑0.0041；所述的呼吸数学模型具体描述为：其中，n(t)为肺呼吸频率，Vi(t)为肺潮气量；所述的呼气阀门数学模型具体描述为：其中，Pa为面罩呼吸腔外气体绝对压力，de为呼气阀门直径，Ke为呼气阀门中弹簧刚度，Le0和Le(t)分别为呼气阀门中弹簧预压缩量和压缩量，μ为流量系数，k0为气体绝热指数，g为重力加速度；所述的控制系统以ARM微处理器为核心，兼容性强，置入其中的控制算法可以任意更换，通过实时显示在PC机上的面罩呼吸腔压力动态曲线来验证不同控制算法的效率，缩短了氧气面罩呼吸腔压力调节器控制方案的开发周期；所述的半实物仿真系统中肺式调节阀结构数学模型可以针对不同的肺式调节阀结构进行更换，不影响其他部分的功能，具有应用对象结构灵活的特点。