一种用于微压氧舱的模型预测控制气压调控装置及方法与流程

1.本发明涉及微压氧舱气压自动控制领域，更具体的说是涉及一种用于微压氧舱的模型预测控制气压调控装置及方法。


背景技术：

2.微压氧舱是一种进行微压氧气保健设备，利用高浓度的氧气保健使用户达到放松身心的作用。微压氧舱用途广泛，主要用于美容保健，放松舒缓，疲劳缓解等。
3.微压氧舱在开始运行时需要加压并增加氧气浓度，在保健过程中要保持气体浓度和压力的恒定，在保健结束时要减压出舱。在此过程中用户使用面罩吸氧，而用户在使用微压氧舱进行保健的过程中应当保持身心放松的状态，不方便对微压氧舱进行操控，因此需要对微压氧舱的全保健过程中的气体进行自动操作控制。
4.微压氧舱在整个保健过程中，需要保证氧气浓度不超过危险值以确保消防安全，而用户面罩吸氧时可能产生氧气泄露导致舱内氧气浓度升高超过危险值。因此也需要对微压氧舱内部进行氧气浓度控制。
5.微压氧舱在运行的过程中需要对舱内压力进行自动控制的同时保证在升压、稳压、降压的过程中不出现剧烈的压力波动，需要一定的控制精度。
6.现有控制微压氧舱方法主要是pid控制，控制较为粗糙，不具有前瞻性，即对气压和氧气浓度的控制具有一定的滞后性，而用户在保健过程中对于气体压力的感知较为敏感，气压的过大波动易影响用户的保健体验，不能提前预测气压和氧气浓度何时超过危险值，不能提前发出警报，容易发生危险。
7.由于微压氧舱运行过程中，舱内相对封闭，在调节氧气浓度的同时必然会对舱内气压产生影响；反之，在调节舱内气压时也会对氧气浓度产生影响。现有微压氧舱控制方法将两种指标分别孤立的进行控制调节，很难同时保证两者严格的控制精度。
8.在对微压氧舱保健的过程采用mpc的控制方法时，将升压、稳压、降压的过程作为mpc控制器的参考输入，可以保证对气压进行控制的同时，限制氧气浓度不超过设定安全值，同时保证了对气压的控制精度。


技术实现要素：

9.有鉴于此，本发明提供了一种用于微压氧舱的模型预测控制气压调控装置及方法。
10.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
11.一种用于微压氧舱的模型预测控制气压调控装置，包括mpc控制器，进气阀，排气阀，氧气浓度传感器，气压传感器以及微压氧舱；所述进气阀，所述排气阀，所述氧气浓度传感器，所述气压传感器均与所述mpc控制器连接；所述所述进气阀，所述排气阀与所述微压氧舱连通。
12.可选的，还包括空调、通风系统，所述空调、通风系统与所述微压氧舱连通。
control,mpc)综合氧气浓度和气压控制进气阀与排气阀；在微压氧舱开始后自动完成升压、稳压、减压的过程及氧气面罩自动给氧，保证对舱内气压和舱内氧气浓度的精确控制。
附图说明
32.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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
33.图1为本发明基于模型预测的微压氧舱自动操作控制方法框图；
34.图2为本发明基于模型预测控制的微压氧舱自动操作控制方法流程图；
35.图3为本发明微压氧舱内部示意图；
36.其中，1-微压氧舱、2-空调、3-气压传感器、4-氧气浓度传感器、5-座椅、6-安全导轨、7-进气阀、8-排气阀。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.本发明实施例公开了一种用于微压氧舱的模型预测控制气压调控装置及方法，如图1-3所示，作用于微压氧舱使用的全过程，从加压、通风换气、减压、环境气体浓度控制等环节上进行体现，其中装置如图3所示，包括微压氧舱1、空调2、气压传感器3、氧气浓度传感器4、座椅5、安全导轨6、进气阀7、排气阀8。
39.其全过程包括在开始微压氧舱保健过程时候，打开进气阀7自动为舱内加压，并在此过程中不断检测舱内气体浓度和压力，在达到设定值之后，同时打开进气阀7和排气阀8，通过模型预测控制(mpc)维持舱内压力和气体浓度在设定精度内。在经过设定好的时间之后，微压氧舱保健结束，进入舱内减压排气阶段，这时打开排气阀8，将舱内的气体排出，使得舱内气体压力和浓度恢复到外界正常值。
40.微压氧舱对于气体压力和气体浓度的控制过程体现如下：首先由气压传感器3和氧气浓度传感器4测量舱内气压和氧气浓度，并输入给微处理器，由微处理器计算得到所需输入或排放的氧气量，如需要输入氧气，则打开进气阀7，如需排放气体，则打开排气阀8；在微压氧舱开始运行后不断循环此过程，从而维持舱内氧气的压力和浓度在设定值；
41.利用模型预测控制(mpc)保证高精度控制舱内氧气浓度和气压；
42.可以通过控制进气阀7和排气阀8的开合实现舱内气压和氧气浓度的联合控制。
43.在另一实施例中，在微压氧舱保健开始后首先实现加压并增高氧气浓度，然后维持设定的气压和氧气浓度，在保健结束时减压，以上过程均由微压氧舱自动完成。
44.微压氧舱自动操作控制方法包括在微压氧舱开始运行时提供舱内均匀稳定的增压，在达到设定值后保证舱内气压稳定在设定值，在微压环境下进行保健放松，在达到设定时间后对舱内降压直到达到设定气压，在整个运行过程中保证气压调节过程舱内气压均匀
稳定，同时舱内氧气浓度控制在设定范围；
45.由多组气压传感器和气体浓度传感器分别测量舱内气压和氧气浓度，所采用传感器均布在微压氧舱内部空间，将所测数据输入给微处理器，由微处理器计算得到所需输入或排放的空气量，从而控制每一个进气阀和排气阀的阀口开度；
46.采用多组进气阀和排气阀均匀分布在微压氧舱内部以保证对舱内气压和氧气浓度进行均匀、精确控制，如需要提升气压或降低舱内氧气浓度，则进气阀开度加大，排气阀开度减小；如需降低气压，则将排气阀开度加大，进气阀开度减小；
47.在微压氧舱开始运行后不断循环上述控制过程，从而维持舱内氧气的压力和浓度在设定值；
48.利用模型预测控制(mpc)在线优化空气的需求量，高精度控制舱内氧气浓度和气压，控制方法包括如下步骤：
49.1)考虑舱内气体压力和氧气浓度均由进气阀和排气阀的阀口开度来调节，将进气阀和排气阀的阀口开度按流经的气体流量分别均分为n段，则经过排列组合每一时间段所有进气阀和排气阀开度共有(m+r)n种可能；
50.2)在微压氧舱运行过程中，为了保持舱内气压和氧气浓度稳定，通过预测m+r)n种状态的代价函数，从以上状态中选择一种，选择的标准是使得代价函数最小；
51.3)在微压氧舱运行过程中，不断重复步骤1)、2)使得微压氧舱内部气压和氧气浓度稳定在指定值附近；
52.4)其包括对微压氧舱内部气体环境进行建模，根据每个进气阀和排气阀的阀口流量对舱内气体密度进行计算，其公式如下：
[0053][0054]
其中ρ为舱内气体密度，v为微压氧舱舱内体积，m和r分别表示舱内共有m个进气阀和r个排气阀，q
i1
为第i个排气阀流量，q
i2
为第i个进气阀流量，ρ0为空气密度,t表示当前时间；
[0055]
5)采用向前欧拉法对舱内气体密度进行预测，如下公式所示：
[0056][0057]
其中，k为当前迭代步数，ρ(k+1)为预测的舱内气压，ts为预测步长，q
i1
(k)为当前排气阀流量，q
i2
(k)为当前进气阀流量；
[0058]
6)舱内根据舱内气压密度预测值可计算舱内气体压强预测值，采用如下公式计算：
[0059][0060]
其中，p(k+1)为气压预测值，ω(k+1)为舱内预测温度,a
i2
为当前进气阀开口截面
积，a
i1
为当前排气阀开口截面积；
[0061]
7)根据舱内气压密度预测值可计算舱内氧气浓度预测值，采用如下公式计算：
[0062][0063]
其中，φ(k+1)为氧气浓度预测值，r为摩尔气体质量常数,m0为空气的摩尔质量；
[0064]
8)用代价函数计算：
[0065][0066]
其中，δp
k+1
为微压氧舱内部的气压与设定气压差，δn
k+1
为微压氧舱内部的氧气浓度与设定标准浓度之差，是由气压和氧气浓度预测模型得到的下一时刻预测值，k为迭代次数。
[0067]
通过控制进气阀和排气阀的开合实现舱内气压和氧气浓度的联合控制,并且最大进气量为340l/min；
[0068]
通过控制进气阀和排气阀的开度同时实现舱内气压和氧气浓度的联合控制，其最大进气量为340l/min，换算后进气量和排气量精度各自均控制在5.8％，其可控制舱内气压范围为101kpa至165kpa，氧气浓度范围为20％至21.5％，若根据mpc控制器预测的气压和氧气浓度超过165kpa和21.5％则提前触发报警。
[0069]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0070]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。