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基于模块化的家庭医疗呼吸器设计研究

内容来源:《机械设计与制造工程》      浏览次数:134      更新时间:2021-07-28

基于模块化的家庭医疗呼吸器设计研究

吴康鑫,黄 冠,李 

(湖北省肿瘤医院,湖北 武汉 430000)

作者简介:吴康鑫(1986—),男,工程师,主要研究方向为医疗器械维修与管理,hunterhunterk1@163.com.

通讯作者:李颖,男,主管技师,honggu03540@163.com.

 

摘要:随着家用医疗呼吸器逐渐走入人们的生活,如何利用模块化思想提高呼吸器的安全性,成为了学术界的前瞻性研究。通过设计并利用内模PID控制器,对呼吸器的流速控制模块进行研究与实验,以期提供稳定的流速,从而有效降低呼吸器的使用风险。为了验证该控制器的性能,以呼吸器平台实测数据为样本,展开测试分析,实验结果表明,该内模PID控制器的振荡度均低于13%,具有较高的稳定性。

 

关键词:模块化;家庭医疗;内模;比例微分积分控制;呼吸器;设计

中图分类号:R136;TH122     文献标识码:A     文章编号:2095-509X(2021)06-0029-06

 

由于呼吸系统疾病患病率呈直线上升趋势,民众对家用呼吸器的需求愈发强烈。然而呼吸器的应用风险等级较高,若操作不规范或者机器工作异常,均有可能威胁到使用者的生命安全1。家用呼吸器在使用中主要有潜在风险以及显/隐性风险。潜在风险是指尽管呼吸器的显示值与设置值一致,然而却与真实值相差较大的情况,这易引发呼吸器工作异常。隐性风险是指机器显示值与设置值不一致导致机器预警失灵的情形。显性风险是指因呼吸器应用不规范造成呼吸器部分功能缺失的情形。模块化设计是一种新型产品设计思想,主要依据产品功能,分模块对产品进行设计2。因为流速控制模块对于上述风险管控意义重大,为了提升呼吸器的安全性,本文以模块化设计思想为载体,对呼吸器的流速控制模块展开详细设计。

 

1 基于模块化的家用呼吸器流速控制模块设计

1.1 内模PID控制的模块化实现流程

作为一种新型产品设计方法,模块化以其标准化、批量化以及定制化等优点而备受广大设计者青睐。模块化本质上进行的是产品功能分解与组合操作,关键之处在于依据需求进行精细的模块划分,并依据模块优势对模块进行组合,以最大化满足消费者需求为目标,是一种有效的产品设计方法。本文在充分探析家用呼吸器市场需求与产品功能定位的基础上,依据模块化思想对家用呼吸器进行功能划分。家用呼吸器分为基本功能与辅助功能两大板块,其中基本功能包括控制模块、存储模块、监测模块以及电源模块,辅助功能涵盖人机界面模块、加热与湿化模块,这些功能模块进行组合就会形成模块化产品。鉴于篇幅限制以及流速控制模块在呼吸器安全性保障方面的重要作用,本文以模块分解得到的流速控制模块作为研究主体,对其进行详细设计,流速控制模块与呼吸器其余模块之间按照产品特征参数形成的映射关系进行接口设计与模块配置。流速控制模块运用的控制方法为比例、积分、微分控制(PID控制),PID控制具有适用性强、鲁棒性高等优点,是一种应用广泛的控制方法3。然而PID控制也存在参数调整困难以及非线性扰动等问题,因此需要对其进行优化4。将内模控制与PID控制进行结合,能有效解决此类问题。内模PID控制只要一个调整参数,该参数不仅能够有效控制系统的动态响应,还能降低系统干扰性,具有较强的响应度与鲁棒性,内模PID控制器的结构如图1所示。

 

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