一种比例流量阀的非线性模型建模方法及通气控制系统、比例流量阀和呼吸机与流程

本技术属于比例流量阀控制领域，具体涉及一种比例流量阀的非线性模型建模方法及通气控制系统、比例流量阀和呼吸机。

背景技术：

1、比例流量阀是呼吸机和麻醉呼吸机中负责控制输送气体流量的关键组件。在研究机械通气流量或压力控制算法过程中，将比例流量阀数学模型设计为前馈控制，可以有效地提高系统响应和稳定速度，减小系统误差和超调量，提高控制性能。因此，建立精确的比例流量阀模型至关重要，也是算法设计和优化的基础。然而，建立精确的数学模型异常困难。一方面，比例流量阀的物理模型涉及流体力学、机械结构和电子电路等多个学科领域，跨越多个物理领域，明析并建立各物理域之间的数学关系非常艰难；另一方面，建模需求主要来自呼吸机厂商的算法设计人员，而比例流量阀通常由部件供应商设计、生产和制造，呼吸机厂商并不负责设计和生产，但在理论建模过程中阀的详细设计参数是必不可少的，对呼吸机厂商来说难以获取。由于建模过程在实践中面临种种挑战，亟需探索一种有效、精确且相对简洁的比例流量阀数学建模方法来满足工程实践中通气控制系统设计、开发和验证需求。

2、建模过程一般可分为理论建模和实验建模。理论建模基于物理学原理，并对系统的假设进行简化，模型可以通过微积分运算获得方程的方法得到；实验建模利用实际的测量数据，对量测到的系统可测信号使用辨识方法，以找到一个数学模型来描述输入输出之间的关系。

3、在理论建模方面，现有技术简化了电流和阀芯位移之间的关系，基于理论推导了比例阀阀芯位移与流量之间的关系，构建了比例阀的被控对象模型，所建立的模型需要提供比例阀弹簧的刚度系数、弹簧预压缩量、阀芯与橡胶片的总质量、力与电流的比例系数、阀芯和阀套间的粘滞阻力系数等相关参数，同时做出了理想气体、绝热运动和一维等熵流动等一系列假设。还有的现有技术在假设阀线圈和电阻在工作时不受外界环境的影响条件下，基于欧姆定律和磁感应效应等建立了电流和阀芯位移之间的动力学方程，机械结构和流体力学部分基于多学科系统仿真平台amesim中的针阀元件进行了代替，利用了amesim已有的针阀元件模型。理论建模所涉及到的理论较为复杂。通常来说，建模越精细所需要的外部参数就越多；为了使模型更准确反映真实系统的关系，调整和确定外部参数需要花费大量时间和精力。

4、在实验建模方面，通过对系统施加特定的激励信号，记录输入、输出等可测信号的数据，通过对可测数据的处理和分析，确定系统的时域特性模型，使得真实过程或系统与数学模型之间的误差(或偏差)尽可能的小；这种建模方法在电机控制、机器人控制等领域应用广泛。例如，电机扫频数据辨识电机模型、正弦激励辨识电液力反馈控制系统等。实际中，这些建模方法通常只能获得系统线性时不变模型，或“线性时不变模型+纯时延环节”。以单输入单输出(siso)系统为例，辨识得到的系统模型传递函数通常为如下形式，

5、

6、其中，a0,a1,...,an,b0,b1,...,bm为同系统相关的结构参数，通常为常值系数，m,n分别为等号右侧分子、分母的最高阶，τ为纯时延环节时间常数；令

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8、则不考虑系统纯时延环节的情况下，辨识得到的siso系统传递函数模型通常为g'p(s)形式，其中n(s),d(s)分别为分子和分母多项式。

9、工程中实验建模方法常用于建立“线性时不变模型+纯时延环节”的模型，虽然也有许多建立非线性模型的系统辨识方法，大多较为繁琐且泛化能力较差，工程应用较少。因此，所提出的实验建模方法应适当简洁，并且工程实践中应具备切实地可操作性。由于比例流量阀是一个非线性特性较强的器件，其动态特性随输出流量变化会发生显著改变：其在输出较小流量时，带宽较低，时延较大，响应时间较长；在输出较大流量时，带宽较高，时延较小，响应时间较短；并且部分型号阀在某一段流量范围内，动态特性可能发生快速转变。因此，亟需一种简单、精确的建立比例流量阀数学模型的方法，才能准确反映比例流量阀的特性变化，减小系统误差和超调量，提高比例流量阀的控制性能。

技术实现思路

1、本技术的目的在于克服现有方法过程繁琐且泛化能力较差，工程应用较少的缺陷。

2、为了实现上述目的，本技术提出了一种比例流量阀的非线性模型建模方法，包括：

3、步骤1：测试比例流量阀在不同幅值阶跃输入信号下的流量输出，得到一系列原始数据；

4、步骤2：对不同幅值阶跃输入信号下的原始数据进行预处理；

5、步骤3：利用建模系统辨识工具箱进行系统辨识，得到辨识结果；

6、步骤4：将辨识结果结构化，拟合得到结构参数随输入信号幅值的变化特性；

7、步骤5：在仿真系统中搭建并实现比例流量阀非线性模型建模。

8、作为上述方法的一种改进，所述步骤1包括：

9、搭建实验环境，将比例流量阀的控制信号设计成高电平幅值不断增加的方波信号，采集比例流量阀的控制信号和输出流量。

10、作为上述方法的一种改进，所述步骤2包括：

11、取每一个比例流量阀的控制信号的方波的前半部分作为阀阶跃响应的输入信号，以控制信号开始阶跃变化的时刻为基准，向前保留第一设定时间，向后保留第二设定时间对原始数据进行切片操作，得到不同幅值阶跃变化下的流量响应。

12、作为上述方法的一种改进，所述第一设定时间与第二设定时间的和包含比例流量阀输出从一个稳定流量到另一稳定流量完整过渡过程，且第一设定时间与第二设定时间都小于1秒。

13、作为上述方法的一种改进，所述步骤4包括：

14、结构参数随输入信号幅值的变化特性公式为：

15、

16、

17、其中，y(z)和u(z)分别表示比例流量阀的流量输出和控制信号输入；ts表示离散化步长；k表示增益系数；ξ表示阻尼比；ωn表示固有角频率；z表示z变换的自变量；u表示当前时刻比例流量阀控制信号幅值；τ(u),k(u),ξ(u),ωn(u)分别表示时延、增益系数、阻尼比以及固有角频率同u之间的函数关系；m表示辨识结果的数据条数；τj表示第j条辨识结果数据中的时延；kj表示第j条辨识结果数据中的增益系数；ξj表示第j条辨识结果数据中的阻尼比；ωj表示第j条辨识结果数据中的固有角频率。

18、作为上述方法的一种改进，τ(u),k(u),ξ(u),ωn(u)是将辨识结果中不同编号的结构化参数利用插值表或多项拟合的方式建立得到。

19、作为上述方法的一种改进，所述步骤5包括：

20、基于结构参数随输入信号幅值的变化特性和辨识结果在仿真系统中搭建比例流量阀的非线性模型，输入阶跃控制信号，得到阶跃响应曲线。

21、作为上述方法的一种改进，所述基于结构参数随输入信号幅值的变化特性和辨识结果在仿真系统中搭建比例流量阀的非线性模型，包括：

22、基于结构参数随输入信号幅值的变化特性和辨识结果在在matlab/simulink环境中搭建二阶离散化结构模型，即比例流量阀的非线性模型；结构参数τ(u),k(u),ξ(u),ωn(u)的时变特性在二阶离散化结构模型的外部利用一维插值表模块和变传输时延模块实现。

23、本技术还提供一种通气控制系统，基于上述的方法实现，所述通气控制系统基于所述非线性模型建模方法进行设计。

24、本技术还提供一种比例流量阀，所述比例流量阀包括上述的通气控制系统。

25、本技术还提供一种呼吸机，所述呼吸机包括上述的比例流量阀。

26、与现有技术相比，本技术的优势在于：

27、1、本技术方法相比理论建模方法，无需对比例流量阀的物理规律进行复杂的理论推导，无需过多的先验知识，也无太多需要确定的外部参数或结构，节省了理论推导、参数调整等的时间；

28、2、相比于现有实验建模方法所建立的模型，本技术方法能够充分反映系统时延非线性和参数非线性特征，并且步骤简单，借助仿真建模软件可以轻松完成模型建立过程。