一种空氧混合控制的呼吸机及控制方法
【专利摘要】一种空氧混合控制的呼吸机及控制方法,其中呼吸机包括：氧气气路、空气气路、氧气空气混合室，氧气、空气气路连接至空气氧气混合室；空气氧气混合室出气口设有出气口压力传感器；氧气气路上设有：氧气流量调节阀、氧气流量传感器和氧气截流件，还设有核心控制器和驱动电路，核心控制器、驱动电路、氧气流量调节阀、氧气流量传感器依次连接形成回路；氧气流量传感器、驱动电路分别能将氧流量、电压反馈给核心控制器，形成一个基于流量、电压反馈的双闭环控制系统；空气气路上设有：风机、空气压力调节阀、空气流量传感器和空气截流件。本发明采用基于氧气流量和电压的双闭环控制系统实现对氧气阀门的控制，调节速度快、精准度高。
【专利说明】
一种空氧混合控制的呼吸机及控制方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种空氧混合控制的呼吸机及控制方法，属于呼吸机技术领域。
【背景技术】
[0002] 在现代临床医学中，呼吸机作为一项能人工替代自主通气功能的有效手段，已普 遍用于各种原因所致的呼吸衰竭、大手术期间的麻醉呼吸管理、呼吸支持治疗和急救复苏 中，在现代医学领域内占有十分重要的位置。呼吸机是一种能够起到预防和治疗呼吸衰竭， 减少并发症，挽救及延长病人生命的至关重要的医疗设备。
[0003] 呼吸机在使用过程中，必须对患者进行机械通气，对于正在接受治疗的患者来说， 通气量大小的控制和氧浓度的调节是非常重要的，尤其是对于婴幼儿患者和病危重症患 者。因此呼吸机中需要设置空氧混合控制的系统，呼吸机空氧混合控制系统的精准性及灵 敏性，是呼吸机性能的重要指标之一，决定着呼吸机性能等级。
[0004] 现有技术中有如下对呼吸机的空氧混合控制装置及控制方法研究的报道：
[0005] 对比文件1:CN104958817A公开了一种呼吸机的空氧混合装置及方法;呼吸机的空 氧混合装置，包括喉管，喉管的一端设置有空气进口和喷嘴组件，喉管的另一端设置有出气 口，喷嘴组件包括嵌入喉管内的大喷嘴，大喷嘴内设置有小喷嘴，小喷嘴设置有小喷孔，小 喷嘴的外壁与大喷嘴的端面处的内壁之间形成环形的大喷孔，小喷嘴可沿其轴向在大喷嘴 内移动以调节大喷孔的大小。该对比文件中的呼吸机在工作时，从所述喷嘴组件输入高压 氧气，利用高压氧气从所述喷嘴组件喷出时产生的负压，从所述空气进口吸入大气中的空 气，并与输入的高压氧气混合;通过移动所述小喷嘴以调节所述大喷孔的大小，当小喷嘴的 外壁与大喷嘴的端面处的内壁抵触，即大喷孔的面积为零时，高压氧气从小喷孔喷出；当大 喷孔的面积大于小喷孔的面积时，高压氧气从大喷孔喷出；高压氧气与空气混合形成的混 合气体从出气口输出。该对比文件解决提供的是一种通过改进空氧混合装置结构来实现对 空氧流量的调节和控制的方法，具体是一种通过调节喷孔的大小来实现对流量的调节和控 制的方法，其调节和控制的方法不够精准和灵敏。
[0006] 对比文件2:CN101507854B公开了一种带压缩空气的呼吸机空气混合装置，所述装 置包括分别通过连通管路与空氧混合器相连的氧气源和压缩空气源，所述氧气源和压缩空 气源分别通过依次设置在各自连通管路间的稳压阀、节流阀与空氧混合器相连，在所述的 两个节流阀上分别连接有用于控制节流阀两端压差的压差控制装置。
[0007] 对比文件3:CN103071214A公开了一种呼吸机输出氧浓度的控制方法，在呼吸机的 输入端，分别设置空气和氧气可控流量比例阀，以及空气和氧气流量传感器;预先设定呼吸 机输出端需要输出的空氧混合气的总流量d，及其中的氧气含量c;根据c和d的值，计算出呼 吸机输入端需要输入的空气流量a和氧气流量b，空气流量a= [ (100-c)*d]/79;氧气流量b = [(c-21)*d]/79;分别调整呼吸机输入端的空气和氧气可控流量比例阀，使其达到计算出 的空气流量a和氧气流量b;然后在供气过程中，利用空气和氧气流量传感器和可控流量比 例阀构成PID控制系统，反馈调节并控制可控流量比例阀的开合度，使其始终保持通过需要 的空气和氧气流量。
【发明内容】
[0008] 本发明要解决的技术问题是提供一种空氧混合控制的呼吸机及控制方法。为了解 决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
[0009] 提供一种空氧混合控制的呼吸机，包括:氧气气路、空气气路、氧气空气混合室，所 述氧气气路的进气端通过氧气源接口外接高压氧气源，所述空气气路的进气端通过空气源 接口外接空气源;氧气气路、空气气路的出气端都连接至空气氧气混合室;空气氧气混合室 连接出气口压力传感器，并连接至患者接口；
[0010] 所述氧气气路上依次设有:氧气流量调节阀、氧气流量传感器和氧气截流件；
[0011] 所述空气气路上依次设有：风机、空气压力调节阀、空气流量传感器和空气截流 件；
[0012] 所述氧气气路上还设有核心控制器和驱动电路，核心控制器、驱动电路、氧气流量 调节阀、氧气流量传感器依次连接，形成回路;氧气流量传感器、驱动电路分别能将氧流量、 电压反馈给核心控制器，形成一个基于流量、电压反馈的双闭环控制系统，实现对氧气流量 调节阀的控制。
[0013] 进一步地，
[0014] 所述氧气气路上，氧气流量调节阀之前设有高压氧气压力传感器；
[0015] 所述空气气路上，在风机出口处设有风机出气口压力传感器。
[0016] 进一步地，
[0017] 所述氧气气路上，在氧气源接口处设有高压氧气过滤器；
[0018] 所述空气气路上，在空气源接口处设有空气过滤片。
[0019] 进一步地，
[0020] 所述氧气气路上，在所述氧气流量调节阀之后设有氧气稳流件；
[0021] 所述空气气路上，在所述空气压力调节阀之后设有空气稳流件。
[0022] 进一步地，
[0023]所述氧气气路上，在氧气流量控制阀与氧气稳流件之间设有氧气降噪装置。
[0024] 优选地，
[0025] 所述高压氧气源的压力范围为0 · 276MPa~0 · 7Mpa。
[0026] 上述空氧混合控制的呼吸机的工作原理如下：
[0027] 呼吸机工作时，
[0028] 1、一方面，呼吸机的氧气气路通过氧气源接口外接高压氧气源，高压氧气源压力 范围为0.276MPa~0.7MPa，氧气通过氧气源接口在进入高压氧压力传感器之前，可以先通 过进入高压氧气过滤器进行杂质滤除；氧气气路上的高压氧压力传感器用于检测氧源压 力，当氧源压力过高时，呼吸机发出氧气供应压力过高报警，当氧源压力过低时，呼吸机发 出氧气供应压力过低报警;之后进入氧气流量调节阀，氧气气路上的氧气流量调节阀用于 调节氧气流量的输出，通过该阀门的调节，输出预期混合气体所需的氧气流量fl;
[0029] 之后，氧气还可以通过氧气气路上的氧气降噪装置，降低高压氧气输出的压力，避 免对患者接口处输出的压力造成很大的波动影响；之后，氧气通过氧气气路上的氧气稳流 件；
[0030] 之后，氧气再通过氧气气路上的氧气截流件在其前后两端产生压差，同时，氧气流 量传感器通过测量在氧气截流件前后端的压差测量实际氧流量，由于在氧气截流件前设置 有氧气稳流件，能使氧气气流稳定，从而使氧气截流件能够差生稳定的压差，使氧气流量传 感器采集的值更加精确。
[0031] 为了得到目标氧气流量Π的输出，氧气气路上的核心控制器输出一个控制量给驱 动电路，驱动电路将信号放大后控制氧气流量调节阀调节氧气流量的输出，氧气流量传感 器采集输出的流量值Fl并反馈到核心控制器；同时，为了加快氧气流量调节阀的调节速度， 能够快速地到达目标值Π ，驱动电路的阀门将控制电流转换为电压信号Ul并反馈给核心控 制器，核心控制器根据预先设定的算法对反馈的输入量Fl和Ul进行处理，然后输出控制量 给驱动电路。实现对氧气流量精准、快速地调节和控制。
[0032] 2、另一方面，呼吸机的空气气路通过空气源接口外接空气源，空气在进入风机之 前首先通过空气过滤片，滤除空气中的杂质;经过滤后的空气经过风机加压，再通过设置在 风机出气口的风机出气口压力传感器，用于检测风机输出的压力是否正常，当出现压力异 常时，呼吸机提供风机故障报警；
[0033]之后，空气再通过空气气路上的空气压力调节阀，空气压力调节阀可以根据出气 口压力传感的反馈值实时调节患者出口处的输出压力；之后，空气在空气气路上的空气截 流件前后两端产生压差，同时，空气流量传感器通过测量通过空气截流件前后端的压差测 量实际空气流量。为了使空气截流件前后两端能够产生稳定的压差，使空气流量传感器采 集的数值更加精准，可以在空气截流件之前设置空气稳流件，使空气气流稳定后进入空气 截流件。
[0034] 空气气路的空气与氧气气路的氧气汇集到空气氧气混合室，再通过一个出气口压 力传感器，最后连接至患者接口。呼吸机的出气口压力传感器用于测量呼吸机出气口的压 力P，空气气路上的空气压力调节阀调根据呼吸机出气口的出气口压力传感器的反馈压力 实时调节输出压力到达P值。
[0035] 本发明还提供上述空氧混合控制呼吸机的空氧混合控制方法，具体如下：
[0036] (1)首先，在呼吸机氧气气路上依次设置氧气流量调节阀、氧气流量传感器和氧气 截流件，高压氧源通过氧气源接口从氧气气路的进气端进入氧气流量调节阀；
[0037] 在呼吸机空气气路上依次设置风机、空气压力调节阀、空气流量传感器和空气截 流件，空气源通过空气源接口从空气气路的进气端进入经风机加压后进入空气压力调节 阀；
[0038] 在氧气气路、空气气路的出气端设置空气氧气混合室，空气氧气混合室的出气口 设置出气口压力传感器；
[0039] (2)设该呼吸机出气口输出的空氧混合气体的预期压力为P，预期输出的氧气浓度 为N，其中N>21%:
[0040] 空气气路上的空气压力调节阀调根据呼吸机出气口的出气口压力传感器的反馈 压力实时调节输出压力到达预期压力P值；
[0041] (3)设空气气路上的空气流量传感器测出此时的空气流量为f2,空气流量f2为通 过空气流量传感器采集空气截流件前后端的压差所得，根据公式
亥公式 基于常识的推导：1)氧气的浓度等于氧气的含量除以混合气体的总量;2)空气中的氧含量 为21%)，得到从空气氧气混合室出来的混合气体所需的目标氧气流1
[0042] 为了得到目标氧气流量Π 的输出，氧气气路上还设置有与氧气流量调节阀连接的 核心控制器及驱动电路，核心控制器输出一个控制量给驱动电路，驱动电路将信号放大后 控制氧气流量调节阀调节氧气流量的输出，氧气流量传感器采集输出的实际氧气流量Fl反 馈到核心控制器，形成流量反馈控制;所述实际氧气流量Fl通过氧气流量传感器采集氧气 截流件前后端的氧源的压差所得；
[0043] 同时，为了加快阀门的调节速度，快速地到达目标氧气流量Π ，驱动电路的阀门将 控制电流转换为电压信号并反馈给核心控制器，形成电压反馈控制，反馈电压为ul;
[0044]核心控制器对反馈的实际氧气流量Fl和电压信号Ul进行处理，然后输出控制量给 驱动电路，形成流量、电压反馈双闭环控制；
[0045] (4)氧气流量调节例阀根据氧气流量传感器测得的氧气流量，实时调节输出的氧 气流量到达目标值f 1。
[0046] 进一步地，
[0047] 上述空氧混合控制呼吸机的空氧混合控制方法还包括步骤(5):
[0048] 当氧气气路输出的氧气流量增加时，呼吸机出气口处的输出压力也会随之增大， 因而呼吸机的输出压力值会偏离预期压力值P，此时，重复步骤(2)将输出压力调节至预期 压力值P，接着重复步骤(3)重新得到新的目标氧气流量Π '，再接着重复步骤(4)将输出流 量调节至新的目标氧气流量Π ' ；
[0049] 通过动态循环步骤(2)-(4)，直至呼吸机的输出压力和氧气浓度按照预期值稳定 输出。
[0050] 在其中一个实施例中，上述步骤(3)中，核心控制器对反馈的实际氧气流量Fl和电 压信号ul进行处理的一种方法为：
[0051 ] A、外环为氧气流量负反馈：外环控制增量Δ u(k) = ai Xu(k)+a2 Xu(k_l )+a3 Xu (k_2);
[0052] 其中，u(k) =A-F1，为目标氧气流量Π 和反馈的实际氧气流量Fl的偏差；
[0053] ai = Kpi+Kii+Kdi ；
[0054] a2 = _KPi-2 XKdi;
[0055] a3 = Kdi；
[0056] Kpi为比例系数，Kii为积分系数，Kdi为微分系数。
[0057] 则外环输出量u(k) =u(k_l)+ Δ u(k);
[0058] B、内环为电压负反馈：同上，内环控制增量Δ d(k) = bi Xd(k)+b2 X d(k_l)+b3 X d (k_2);
[0059] 其中，d(k) =u(k)_ui，为外环输出量u(k)和反馈电压ul的偏差；
[0060] bi = KP2+Ki2+Kd2；
[0061] b2 = -KP2-2XKd2；
[0062] b3 = Kd2；
[0063] KP2为比例系数，Ki 2为积分系数，Kd2为微分系数。
[0064] 则内环输出量即核心控制器给驱动电路的输出量d(k)=d(k_l)+Ad(k)。
[0065] 在另一个实施例中，上述步骤(3)中，核心控制器对反馈的实际氧气流量Fl和反馈 电压Ul进行处理的另一种方法为：
[0066] 当患者开始吸气时，反馈的实际氧气流量Fl与目标氧气流量Π 产生的偏差大于允 许范围时，开始调节输出氧气流量；
[0067]首先，实时检测的电压反馈Us，当Us与IV1偏差较大时，核心控制器的输出量d(k) = cX (Us-IV1),其中c为调节系数;其中：IV1为上一次吸气时间内，实际氧流量Fl与目标氧流 量fl稳定在偏差范围内时，记录的反馈电压值；
[0068] 经过上述调节，当Us与IV1偏差到允许范围内时，记录此时的输出量为Ds;此时核心 控制的输出量(Kk)=D s+ADXt;
[0069]其中，变量t为时间参数，所述t = l，2,3......
[0070]经上述调节，直到反馈的实际氧气流量Fl与目标氧气流量Π 产生的偏差达到允许 范围内，并记录此时的反馈电压Us。
[0071] 进一步地，
[0072] 上述空氧混合控制呼吸机的空氧混合控制方法的步骤(1)还包括：
[0073] 在空气源接口、氧气源接口处分别设置空气过滤片、高压氧气过滤器，进入空气气 路的空气源先经过空气过滤片滤除杂质，进入氧气气路的氧源先经过高压氧气过滤器滤除 杂质；
[0074]在氧气流量调节阀之前设置高压氧压力传感器，当进入氧气气路的氧源压力过 高/过低时，设置在氧气气路上的高压氧压力传感器给出氧源压力过高/过低警报信号，并 将氧源压力调整到〇 · 276MPa-0 · 7MPa;
[0075] 在风机出气口设置风机出气口压力传感器，当空气气路上的风机输出压力出现压 力异常时，风机出气口压力传感器提供风机故障报警信号；
[0076] 氧气流量传感器采集输出的实际氧气流量Fl前，氧源先通过氧气降噪装置降噪并 通过氧气稳流件稳流;空气流量传感器测得空气流量为f2前，空气源先通过空气稳流件稳 流。
[0077]本发明的有益效果：
[0078] 1、本发明的空氧混合控制的呼吸机的氧气气路上采用基于氧气流量和电压的双 闭环控制系统实现对氧气阀门的控制，电压反馈控制环可以加快调节速度，在流量和电压 双闭环控制系统的控制下，可以大大提高呼吸机空氧混合控制的精度。
[0079] 2、本发明中，将风机置于氧气空气混合室之前，可以避免造成多余氧气的泄露，另 外还可以避免混合之后的混合气体中高浓度氧气通过风机会引发风机内部发热而引起安 全隐患。
[0080] 3、在本发明中：空气气路和氧气气路上分别设置有空气过滤片、高压氧气过滤器， 分别对空气和氧气进行杂质过滤，提高空气和氧气的洁净度。
[0081 ] 4、在本发明中：空气气路和氧气气路上分别设置有空气稳流件、氧气稳流件，分别 可以稳定空气气流、氧气气路，分别使空气截流件、氧气截流件前后两端能够差生稳定的压 差，使空气流量传感器、氧气流量传感器采集的数值更加精确。
[0082] 5、本发明与对比文件1和对比文件2相比，对比文件1和对比文件2中公开的空氧混 合装置及其空氧混合的方法，是通过对空氧混合装置中结构的改变来实现对空氧流量的调 节和控制，技术方案之间存在实质性区别。
[0083] 本发明与对比文件3中的控制方法及原理较为接近，但对比文件3是基于流量输出 为目标，而本发明是基于压力输出为目标。对比文件3中的氧气阀门控制系统为基于流量的 单闭环控制系统，而本发明的氧气阀门控制系统是基于流量和电压的双闭环控制系统，能 够加快调节到目标流量的速度，减小调节时间，而且精度更加精准。
【附图说明】
[0084] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0085] 图1为本发明实施例空氧混合呼吸机整体结构示意图；
[0086] 图2为本发明氧气阀门控制的基于流量、电压反馈的双闭环控制系统的结构示意 图；
[0087] 附图标记说明：
[0088] 101、高压氧气过滤器；102、高压氧气压力传感器；103、氧气流量调节例阀；104、氧 气降噪装置；105、氧气稳流件；106、氧气流量传感器；107、氧气截流件；108、核心控制器； 109、驱动电路；
[0089] 201、空气过滤片；202、风机;203、风机出气口压力传感器;204、空气压力调节阀； 205、空气稳流件;206、空气流量传感器;207、空气截流件；
[0090] 3、空气氧气混合室；
[0091] 4、出气口压力传感器；
[0092] 5、患者接口；6、氧气源接口；7、空气源接口。
【具体实施方式】
[0093]下面结合附图及实施例对发明进一步说明，但不用来限制本发明的范围。
[0094] 如图1、2所示，本发明提供了 一种空氧混合控制的呼吸机，具体包括：
[0095] 氧气气路、空气气路、氧气空气混合室3,所述氧气气路的进气端通过氧气源接口 6 外接高压氧气源，所述空气气路的进气端通过空气源接口 7外接空气源;氧气气路、空气气 路的出气端都连接至空气氧气混合室3;空气氧气混合室3连接出气口压力传感器4，并连接 至患者接口 5;
[0096] 所述氧气气路上依次设有:高压氧气过滤器101、高压氧压力传感器102、氧气流量 调节阀103、氧气降噪装置104、氧气稳流件105、氧气流量传感器106和氧气截流件107; [0097] 所述空气气路上依次设有:空气过滤片201、风机202、风机出气口压力传感器203、 空气压力调节阀204、空气稳流件205、空气流量传感器206和空气截流件207;
[0098] 所述氧气气路上还设有核心控制器108和驱动电路109,核心控制器108、驱动电路 109、氧气流量调节阀103、氧气流量传感器106依次连接，形成回路;氧气流量传感器106、驱 动电路109分别能将氧流量、电压反馈给核心控制器108，形成一个基于流量、电压反馈的双 闭环控制系统，实现对氧气流量调节阀的控制。
[0099]本实施例的空氧混合控制呼吸机的工作原理如下：
[0100] -方面，呼吸机的氧气气路通过氧气源接口 6外接高压氧气源，高压氧气源压力范 围为0.276MPa~0.7MPa，氧气通过氧气源接口 6在进入高压氧压力传感器102之前，先通过 高压氧气过滤器101进行杂质滤除；氧气气路上的高压氧压力传感器102用于检测氧源压 力，当氧源压力过高时，呼吸机发出氧气供应压力过高报警，当氧源压力过低时，呼吸机发 出氧气供应压力过低报警;之后进入氧气流量调节阀103,氧气流量调节阀103用于调节氧 气流量的输出，通过该阀门的调节，输出预期混合气体所需的目标氧气流量Π ;
[0101] 之后，氧气通过氧气降噪装置104,降低高压氧气输出的压力，避免对患者接口处 输出的压力造成很大的波动影响;之后，氧气通过氧气稳流件105;
[0102] 之后，氧气再通过氧气截流件107并在其前后两端产生压差，同时，氧气流量传感 器106通过测量在氧气截流件106前后端的压差测量实际氧流量，由于在氧气截流件106前 设置有氧气稳流件105，能使氧气气流稳定，从而使氧气截流件106能够差生稳定的压差，使 氧气流量传感器106采集的值更加精确。
[0103] 为了得到目标氧气流量Π 的输出，氧气气路上的核心控制器108输出一个控制量 给驱动电路109,驱动电路109将信号放大后控制氧气流量调节阀103调节氧气流量的输出， 氧气流量传感器106采集输出的流量值Fl并反馈到核心控制器108;同时，为了加快氧气流 量调节阀103的调节速度，能够快速地到达目标氧气流量Π ，驱动电路109的阀门将控制电 流转换为电压信号Ul并反馈给核心控制器108,核心控制器108对反馈的实际氧气流量Fl和 反馈电压ul进行处理，然后输出控制量给驱动电路109,实现对氧气流量精准、快速地调节 和控制。
[0104] 另一方面，呼吸机的空气气路通过空气源接口 7外接空气源，空气在进入风机202 之前首先通过空气过滤片201，滤除空气中的杂质;经过滤后的空气经过风机202加压，再通 过设置在风机202出气口的风机出气口压力传感器203，用于检测风机输出的压力是否正 常，当出现压力异常时，呼吸机提供风机故障报警;本实施例中的风机设置在空氧混合室之 前，可以避免造成多余氧气的泄露，另外还可以避免混合之后的混合气体中高浓度氧气通 过风机会引发风机内部发热而引起安全隐患。
[0105] 之后，空气再通过空气气路上的空气压力调节阀204,空气压力调节阀204可以根 据出气口压力传感器4的反馈值实时调节患者出口处的输出压力;之后，空气在空气截流件 207前后两端产生压差，同时，空气流量传感器206通过测量通过空气截流件207前后端的压 差测量实际空气流量。为了使空气截流件207前后两端能够产生稳定的压差，使空气流量传 感器206采集的数值更加精准，可以在空气截流件207之前设置空气稳流件205,使空气气流 稳定后进入空气截流件207。
[0106] 空气气路的空气与氧气气路的氧气汇集到空气氧气混合室3,再通过一个出气口 压力传感器4,最后连接至患者接口 5。呼吸机的出气口压力传感器4用于测量呼吸机出气口 的压力P，空气气路上的空气压力调节阀204调根据呼吸机出气口的出气口压力传感器4的 反馈压力实时调节输出压力到达P值。
[0107] 本实施例中空氧混合控制的方法如下：
[0108] (1)设该呼吸机出气口输出的空氧混合气体的预期压力为P，预期输出的氧气浓度 为N，其中N>21% :
[0109] 空气气路上的空气压力调节阀调根据呼吸机出气口的出气口压力传感器的反馈 压力实时调节输出压力到达预期压力p值；
[0110] (2)设空气气路上的空气流量传感器测出此时的空气流量为f2,空气流量f2为通 过空气流量传感器采集空气截流件前后端的压差所得，根据公式
得到从 空气氧气混合室出来的混合气体所需的目标氧气流I
[0111] 为了得到目标氧气流量Π 的输出，氧气气路上还设置有与氧气流量调节阀连接的 核心控制器及驱动电路，核心控制器输出一个控制量给驱动电路，驱动电路将信号放大后 控制氧气流量调节阀调节氧气流量的输出，氧气流量传感器采集输出的实际氧气流量Fl反 馈到核心控制器，形成流量反馈控制;所述实际氧气流量Fl通过氧气流量传感器采集空气 截流件前后端的压差所得；
[0112] 同时，为了加快阀门的调节速度，快速地到达目标氧气流量Π ，驱动电路的阀门将 控制电流转换为电压信号并反馈给核心控制器，形成电压反馈控制，反馈电压为ul;
[0113]核心控制器对反馈的实际氧气流量Fl和反馈电压Ul进行处理，然后输出控制量给 驱动电路，形成流量、电压反馈双闭环控制;本实施例中核心控制器对反馈的实际氧气流量 Fl和反馈电压ul进行处理的方法为：
[0114] A、外环为氧气流量负反馈：外环控制增量Δ U(k) = ai Xu(k)+a2 Xu(k_l )+a3 Xu (k_2);
[0115] 其中，u(k) If1-F1，为目标氧气流量Π 和反馈氧气流量Fl的偏差；
[0116] ai = KPi+Kii+Kdi ；
[0117] a2 = _KPi-2 XKdi;
[0118] a3 = Kdi；
[0119] Kpi为比例系数，Kii为积分系数，Kdi为微分系数。
[0120]则外环输出量u(k) =u(k_l)+ Δ u(k);
[0121 ] B、内环为电压负反馈：同上，内环控制增量Δ d(k) = bi Xd(k)+b2 X d(k_l)+b3 X d (k_2);
[0122] 其中，d(k) =u(k)-ui，为外环输出量u(k)和反馈电压ul的偏差；
[0123] bi = Kp2+Ki2+Kd2；
[0124] b2 = -KP2-2XKd2；
[0125] b3 = Kd2；
[0126] KP2为比例系数，Ki2为积分系数，Kd2为微分系数。
[0127] 则内环输出量即核心控制器给驱动电路的输出量d(k)=d(k_l)+Ad(k)。
[0128] (3)氧气流量调节例阀根据氧气流量传感器测得的氧气流量，实时调节输出的氧 气流量到达目标值f 1。
[0129] (4)当氧气气路输出的氧气流量增加时，呼吸机出气口处的输出压力也会随之增 大，因而呼吸机的输出压力值会偏离预期压力值P，此时，重复步骤(1)将输出压力调节至预 期压力值P，接着重复步骤(2)重新得到新的目标氧气流量Π '，再接着重复步骤(3)将输出 流量调节至新的目标氧气流量Π ' ；
[0130] 通过动态循环步骤（1)-(3)，直至呼吸机的输出压力和氧气浓度按照预期值稳定 输出。
[0131] 本实施例的呼吸机的空气源/氧气源进入空气气路/氧气气路后首先经过空气过 滤片/高压氧气过滤器滤除杂质;并在氧气流量调节阀之前设置高压氧压力传感器，当进入 氧气气路的氧源压力过高/过低时，设置在氧气气路上的高压氧压力传感器给出氧源压力 过高/过低警报信号，并将氧源压力调整到0.276MPa-0.7MPa;空气气路的风机出气口设置 有风机出气口压力传感器，当空气气路上的风机输出压力出现压力异常时，风机出气口压 力传感器提供风机故障报警信号;氧气流量传感器采集输出的实际氧气流量Fl前，氧源先 通过氧气降噪装置降噪并通过氧气稳流件稳流;空气流量传感器测得空气流量为f2前，空 气源先通过空气稳流件稳流，使空气流量传感器、氧气流量传感器采集的数值更加精确。
[0132] 本实施例中的空氧混合控制呼吸机，由于采用基于氧气流量和电压的双闭环控制 系统实现对氧气阀门的控制，电压反馈控制环可以加快调节速度，在流量和电压双闭环控 制系统的控制下，可以大大提高呼吸机空氧混合控制的精度。
[0133] 实施例2
[0134] 本实施例与实施例1的区别在于：
[0135] 本实施例中核心控制器对反馈的实际氧气流量Fl和反馈电压Ul进行处理的方法 为：
[0136] 当患者开始吸气时，反馈的实际氧气流量Fl与目标氧气流量Π 产生的偏差大于允 许范围时，开始调节输出氧气流量；
[0137] 首先，实时检测的电压反馈Us，当Us与IV1偏差较大时，核心控制器的输出量d(k) = cX (Us-IV1),其中c为调节系数;其中：IV1为上一次吸气时间内，实际氧流量Fl与目标氧流 量fl稳定在偏差范围内时，记录的反馈电压值；
[0138] 经过上述调节，当Us与IV1偏差到允许范围内时，记录此时的输出量为D s;此时核心 控制的输出量(Kk)=Ds+ADXt;
[0139] 其中，变量t为时间参数，所述t = l，2,3......
[0140] 经上述调节，直到反馈的实际氧气流量Fl与目标氧气流量Π 产生的偏差达到允许 范围内，并记录此时的反馈电压Us。
[0141] 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等同物界定。
【主权项】
1. 一种空氧混合控制的呼吸机，其特征在于，包括： 氧气气路、空气气路、氧气空气混合室，所述氧气气路的进气端通过氧气源接口外接高 压氧气源，所述空气气路的进气端通过空气源接口外接空气源;氧气气路、空气气路的出气 端都连接至空气氧气混合室;空气氧气混合室连接出气口压力传感器，并连接至患者接口； 所述氧气气路上依次设有:氧气流量调节阀、氧气流量传感器和氧气截流件； 所述空气气路上依次设有:风机、空气压力调节阀、空气流量传感器和空气截流件； 所述氧气气路上还设有核屯、控制器和驱动电路，核屯、控制器、驱动电路、氧气流量调节 阀、氧气流量传感器依次连接，形成回路;氧气流量传感器、驱动电路分别能将氧流量、电压 反馈给核屯、控制器，形成一个基于流量、电压反馈的双闭环控制系统，实现对氧气流量调节 阀的控制。2. 根据权利要求1所述的一种空氧混合控制的呼吸机，其特征在于， 所述氧气气路上，氧气流量调节阀之前设有高压氧气压力传感器； 所述空气气路上，在风机出口处设有风机出气口压力传感器。3. 根据权利要求1所述的一种空氧混合控制的呼吸机，其特征在于， 所述氧气气路上，在氧气源接口处设有高压氧气过滤器； 所述空气气路上，在空气源接口处设有空气过滤片。4. 根据权利要求1所述的一种空氧混合控制的呼吸机，其特征在于， 所述氧气气路上，在所述氧气流量调节阀之后设有氧气稳流件； 所述空气气路上，在所述空气压力调节阀之后设有空气稳流件。5. 根据权利要求4所述的一种空氧混合控制的呼吸机，其特征在于， 所述氧气气路上，在氧气流量控制阀与氧气稳流件之间还设有氧气降噪装置。6. -种空氧混合控制呼吸机的空氧混合控制方法，其特征在于， 具体包括如下步骤： (1) 首先，在呼吸机氧气气路上依次设置氧气流量调节阀、氧气流量传感器和氧气截流 件，高压氧源通过氧气源接口从氧气气路的进气端进入氧气流量调节阀； 在呼吸机空气气路上依次设置风机、空气压力调节阀、空气流量传感器和空气截流件， 空气源通过空气源接口从空气气路的进气端进入经风机加压后进入空气压力调节阀； 在氧气气路、空气气路的出气端设置空气氧气混合室，空气氧气混合室的出气口设置 出气口压力传感器； (2) 设该呼吸机出气口输出的空氧混合气体的预期压力为P，预期输出的氧气浓度为N， 其中N〉21%: 空气气路上的空气压力调节阀调根据呼吸机出气口的出气口压力传感器的反馈压力 实时调节输出压力到达预期压力P值； (3) 设空气气路上的空气流量传感器测出此时的空气流量为f2,空气流量f2为通过空 气流量传感器采集空气截流件前后端的压差所得，根据公式得到从空气 氧气混合室出来的混合气体所需的目标氧气流量为了得到目标氧气流量η的输出，氧气气路上还设置有与氧气流量调节阀连接的核屯、 控制器及驱动电路，核屯、控制器输出一个控制量给驱动电路，驱动电路将信号放大后控制 氧气流量调节阀调节氧气流量的输出，氧气流量传感器采集输出的实际氧气流量F1反馈到 核屯、控制器，形成流量反馈控制;所述实际氧气流量F1通过氧气流量传感器采集空气截流 件前后端的压差所得； 同时，为了加快阀口的调节速度，快速地到达目标氧气流量η，驱动电路的阀口将控制 电流转换为电压信号并反馈给核屯、控制器，形成电压反馈控制，反馈电压为ul; 核屯、控制器对反馈的实际氧气流量F1和反馈电压ul进行处理，然后输出控制量给驱动 电路，形成流量、电压反馈双闭环控制； (4)氧气流量调节例阀根据氧气流量传感器测得的氧气流量，实时调节输出的氧气流 量到达目标值Π 。7. 根据权利要求6所述的一种空氧混合控制呼吸机的空氧混合控制方法，其特征在于， 上述空氧混合控制方法还包括步骤巧）： 当氧气气路输出的氧气流量增加时，呼吸机出气口处的输出压力也会随之增大，因而 呼吸机的输出压力值会偏离预期压力值P，此时，重复步骤(2)将输出压力调节至预期压力 值P，接着重复步骤(3)重新得到新的目标氧气流量η'，再接着重复步骤(4)将输出流量调 节至新的目标氧气流量Π ' ； 通过动态循环步骤(2)-(4)，直至呼吸机的输出压力和氧气浓度按照预期值稳定输出。8. 根据权利要求6所述的一种空氧混合控制呼吸机的空氧混合控制方法，其特征在于， 所述步骤(3)中，核屯、控制器对反馈的实际氧气流量F1和反馈电压ul进行处理的一种 方法为： A、 外环为氧气流量负反馈:夕F环控制增量Δ U化)=ai Xu化)+32 Xu化-1 )+33 Xu化-2); 其中，U化）=fi-Fi，为目标氧气流量η和反馈氧气流量F1的偏差； ai 二 Kpi+Kii+Kdi; 过2 二-Κρ广2 XKdi; 过3 = Kdl ; Κρ功比例系数，Κι功积分系数，Kd功微分系数； 则外环输出量U化)=11化-1)+ Δ U化）； B、 内环为电压负反馈：同上，内环控制增量A (1化）=bi Xd(k)+b2 Xd(k-1 )+b3 X d(k- 2); 其中，(Kk)=u化)-ui，为外环输出量u化)和反馈电压ul的偏差； bl = Kp2+Ki2+Kd2 ； b2 = -Kp2~2 XKd2 ； b3 = Kd2； Κρ劝比例系数，Κι2为积分系数，Kd劝微分系数； 则内环输出量即核屯、控制器给驱动电路的输出量cKk)=cKk-l)+AcKk)。9. 根据权利要求6所述的一种空氧混合控制呼吸机的空氧混合控制方法，其特征在于， 所述步骤(3)中，核屯、控制器对反馈的实际氧气流量F1和反馈电压ul进行处理的另一 种方法为： 当患者开始吸气时，反馈的实际氧气流量FI与目标氧气流量η产生的偏差大于允许范 围时，开始调节输出氧气流量； 首先，实时检测的电压反馈Us，当Us与Us-I偏差较大时，核屯、控制器的输出量cKk) = C X (Us-Us-i)，其中C为调节系数;其中：Us-i为上一次吸气时间内，实际氧流量F1与目标氧流量 η稳定在偏差范围内时，记录的反馈电压值； 经过上述调节，当Us与Us-1偏差到允许范围内时，记录此时的输出量为Ds;此时核屯、控制 的输出量cKk) =Ds+ A D X t; 其中，变量t为时间参数，所述t = l，2,3...... 经上述调节，直到反馈的实际氧气流量FI与目标氧气流量η产生的偏差达到允许范围 内，并记录此时的反馈电压Us。10.根据权利要求7所述的一种空氧混合控制呼吸机的空氧混合控制方法，其特征在 于， 上述空氧混合控制呼吸机的空氧混合控制方法的步骤（1)还包括： 在空气源接口、氧气源接口处分别设置空气过滤片、高压氧气过滤器，进入空气气路的 空气源先经过空气过滤片滤除杂质，进入氧气气路的氧源先经过高压氧气过滤器滤除杂 质； 在氧气流量调节阀之前设置高压氧压力传感器，当进入氧气气路的氧源压力过高/过 低时，设置在氧气气路上的高压氧压力传感器给出氧源压力过高/过低警报信号，并将氧源 压力调整到 0.276MPa-0.7MPa; 在风机出气口设置风机出气口压力传感器，当空气气路上的风机输出压力出现压力异 常时，风机出气口压力传感器提供风机故障报警信号； 氧气流量传感器采集输出的实际氧气流量F1前，氧源先通过氧气降噪装置降噪并通过 氧气稳流件稳流;空气流量传感器测得空气流量为f 2前，空气源先通过空气稳流件稳流。
【文档编号】A61M16/12GK105963837SQ201610401988
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】戴征, 丁锦, 刘炜, 徐勤鹏, 何超
【申请人】湖南明康中锦医疗科技发展有限公司