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机械通气控制原理 谊安医疗 呼吸事业部 刘庆平 主要内容 机械通气控制系统 机械通气的控制目标 机械通气的控制效果监测与衡量指标 如何实施控制 影响通气控制性能的因素 控制的核心思想 总结 机械通气控制系统 控制系统的一般结构 机械通气控制系统 包括通气管理者在内的控制系统 机械通气控制系统 闭环反馈控制的意义 降低系统参数变化造成的影响； 提高抗干扰能力； 可抑制传感器的高频噪声影响； 提高稳态跟踪精度； 使系统的瞬态响应变得可控。 闭环反馈控制的代价 增加器件成本：反馈器件、控制器； 加大驱动能力需求； 可能造成不稳定。 机械通气的控制目标 气道压力：PCV 潮气量（流量或压力）：VCV、PRVC 分钟通气量（潮气量×通气频率）：MMV、ASV CO2分压：IntelliVent SpO2脉搏血氧饱和度： CLiO2 患者的舒适度？？？综合目标：SmartCare 人机协调、尽可能快的撤机？？？目标非常模糊！ 机械通气的控制目标 目标的层次化：比如PRVC 目标的清晰化：可定量监测 目标的规划：比如目标不能突变，应该光滑改变 PRVC控制系统 主要内容 机械通气控制系统 机械通气的控制目标 机械通气的控制效果监测与衡量指标 如何实施控制 影响通气控制性能的因素 控制的核心思想 总结 控制效果的监测和衡量 监测 准确：监测如果有误，控制将变得非常危险！ 快速：快过整个闭环的响应（至少5倍） 控制效果的衡量 保持对目标的跟踪（稳态、动态），在有干扰的情况下也是如此 快、准、稳 控制效果的监测和衡量 监测精度：Xe—Xo 控制精度：Xo—Xr 控制中总是使：XeXr， 故控制精度不会高于监测精度 控制效果的监测和衡量 阶跃响应曲线 Tr：上升时间，10%～90%目标值，或0 ～90%目标值 Ts：调整时间 控制效果的监测和衡量 斜坡跟踪性能 抗干扰性能 主要内容 机械通气控制系统 机械通气的控制目标 机械通气的控制效果监测与衡量指标 如何实施控制 影响通气控制性能的因素 控制的核心思想 总结 控制器的结构 控制算法分类 执行元件的特性 被控对象的特性 几种控制器的设计 控制器的结构分类 串联反馈结构：单独串联反馈如无法满足性能，可考虑以下两种结构 前馈+反馈结构：加入前馈可补偿非线性，即将反馈控制限制在目标值附近的线性域内调节 内外环结构：将内部状态变量进行反馈以提高性能，常见的如阀芯速度反馈，此结构还常见于系统内部本来就存在非常快的动态子系统的情况 控制算法分类 控制算法的分类 基于模型的控制 传统的线性系统控制 自适应逆控制、内模控制等 非基于模型的控制 PID控制（经典） 智能控制：如专家控制、模糊控制 算法分类 原理和特点 应用范围 PID控制算法 利用误差的比例项、积分项和微分项构造控制输出。其特点是不需要精确的系统建模，但合适的控制参数需试验整定 对控制性能要求不高；系统模型本来就不复杂；控制核心元件的性能有限无法支持复杂的计算 基于模型的算法 基于复杂的控制理论如最优控制、自适应控制、鲁棒控制、系统辨识、状态观测等所构建的控制算法。其特点是需要精确的系统模型知识，任何一控制参数的设计都有理论依据 可推出确定的系统模型；对控制性能要求高 智能控制算法 利用人工智能原理如专家系统、模糊专家系统、人工神经网络等所构建的控制算法。其特点也是不需要精确的系统模型，以经验知识为基础调节输出控制量 经验知识量足够大；无法建立确定的系统模型；不关心系统内部参数或状态；对控制性能要求不高 执行元件的特性 节流阀静态特性 执行元件的特性 压力控制阀静态特性 执行元件的特性 动态响应特性 流量从上个90%减小到10%的变化时间:52.5ms 流量从10%增加到90%的变化时间:35.5ms 可近似看作一阶惯性环节 被控对象特性 Q：总流量，等于肺流量QL和回路内流量QT之和，一般指阀出口流量，也应包括新鲜气体；Paw：气道压力；CT：气路顺应性；CL：肺顺应性；RL：气阻 被控对象的数学模型 如以流量Q为输入，气道压力Paw为输出的被控呼吸力学模型为： 忽略管路顺应性 如以气道压力Paw为输入，流量Q为输出则颠倒之： 输入输出互为因果，谁为输出，谁为输入，要视被控变量是谁和执行元件是压力源还是流量源而定 节流阀结构的流量控制 阀后端压力对流量影响可忽略，故而患者力学模型不必在控制器设计中考虑 节流阀结构的压力控制 节流阀控制流量容易，控制压力比较困难，这时一定要考虑被控对象患者的力学特性，被控对象的力学模型参数通过在线辨识算法得到 压力阀结构的压力控制 同前面的节流阀控制流量一样，利用压力控制压力相对容易，不需要考虑被控对象的特性，采用前馈+PID反馈的形式就可以获得较好的控制性能，其中前馈部分即校验得到的阀的静态控制压力对应的控制