基于PID的高壓氧艙自動控制的設計與實現

張敦曉，胡慧軍，孟祥恩，潘樹義

解放軍總醫院第六醫學中心 高壓氧科，北京 100048

引言

高壓氧醫學是近些年發展起來的一門邊緣學科[1]。高壓氧治療是指在高氣壓環境下呼吸純氧或高濃度氧氣的治療方法，高壓氧治療質量控制的重要因素之一是保持吸入高濃度的氧氣[2]。近年來，隨著醫療認識的提高，高壓氧治療已經被臨床廣泛應用于治療多種疾病，包括一氧化碳中毒、腦外傷、擠壓傷、放射性損傷、氣栓癥、糖尿病足潰瘍等，高壓氧治療的人數逐年增加[3-5]。

高壓氧艙是患者行高壓氧治療的關鍵設備。高壓氧艙按照加壓介質分為空氣艙、純氧艙；按照治療人數分為多人艙、單人艙。而隨著高壓氧治療的推廣，高壓氧治療人數的增加，多人空氣艙、艙群已成為絕大多數醫院引進高壓氧艙的主要類型。

多人空氣艙、艙群形式的高壓氧艙結構復雜，是一套包含氣源、氧源、艙體、電氣、消防、對講、視頻監控、控制等的復合系統。為了適應氧艙的復雜化復合稀土，氧艙的控制方法也從單一的手動控制逐漸向計算機自動控制普及，為提高氧艙控制的自動化程度，本研究設計了一套基于比例積分微分（Proportion Integral Differential，PID）的高壓氧艙自動控制系統。

1 算法

在國內大部分高壓氧艙群的治療方案相對固定，高壓氧治療方案一般為1.6、2.0、2.5 ATA。氧艙自動控制的輸入量為實際艙壓與理想艙壓之間的偏差Δp，擾動量為供氣壓力、入艙人數、溫濕度。

目前，自動控制領域所研究的主要算法有PID 控制、非線性控制、最優控制、自適應控制、智能控制等。PID 控制是一種經典的、在實際控制應用中最廣泛的方法，可通過比例（Proportion，P）、積分（Integral，I）、微分（Differential，D）的不同組合及其參數的選取獲得對線性系統較理想的控制效果[6-7]，其結構簡單、魯棒性突出、易于掌握、無需被控對象的精確數學模型就能獲得不錯的控制結果而廣泛應用于各行各業生產中[8-9]。PID 控制是比例-積分-微分控制的簡稱見公式(1)。

e(t)是系統的偏差，u(t)是輸出的調節量，Kp是比例增益，T、Ti、Td分別是采樣周期、積分、微分時間[10-13]。

PID 控制算法的離散化公式見(2)

Kp、Ki、Kd分別為比例系數、積分系數、微分系數。比例用于加快系統響應，過大的比例系數易使系統超調，產生振蕩；積分有利于減小超調、振蕩，增加系統穩定性，但會使系統靜差消除時間變長；微分會提高系統抗擾動能力，但會降低系統抗噪聲能力。PID 控制算法原理圖如圖1 所示。

圖1 PID控制算法原理圖

高壓氧艙運行時供氣壓力由氣源的自動控制系統完成，氣源壓力值設定的最優波動范圍一般為1.0～1.25 MPa，入艙人數基本相對固定，空調系統的介入使得氧艙的溫度范圍控制在18℃～26℃[14]，因此單一的輸入量和相對變化較小的擾動量決定了艙群的自動控制不需復雜的控制策略，PID 控制即可滿足高壓氧艙自動控制需求。

高壓氧艙自控運行的PID 控制算法采用艙內實際壓力與理想曲線壓力之間的偏差Δp 作為輸入量，即e(k)= Δp，Kp*Δp 計算出比例增益，Ki*Δp 計算出積分增益，Kd*（Δp與上一個采樣周期的Δp 之間的差值）即Kd*[Δp(t)-Δp(t-1)]計算出微分增益，Kp*Δp+Ki*Δp+Kd*[Δp(t)-Δp(t-1)]計算得出當前時間值系統應該向執行機構輸出的調節值，因此高壓氧艙自動控制的核心在于Kp、Ki、Kd三個值的確定。

PID 控制算法中的Kp、Ki、Kd系數的確定通常有兩種方法：理論計算法和經驗調試法。理論計算法適用于理想狀態下的極簡系統，而氧艙的擾動量不易測量或定量計算，因此理論計算法并不適用于氧艙的PID 控制算法系數的確定。采用經驗調試法進行氧艙PID 控制算法系統確定時遵循的方法：① 系數整定按照Kp、Ki、Kd順序，從小到大依次調試；②Kp系統整定時，若艙內壓力的實際曲線頻繁振蕩，則Kp值需增大，若實際曲線飄在理論曲線上方，則Kp值需減小；③Ki系數整定時，若艙內壓力的實際曲線偏離理論曲線后回復的時間慢，則Ki值需增大，若實際曲線波動慢周期長，則Ki值需減小；④Kd系數整定時，若艙內壓力的實際曲線振蕩頻率快，則Kd系數需減小，若實際曲線振蕩波動得慢，則Kd系數需增大。

2 自動控制系統硬件構成

氧艙壓力的自動控制系統硬件包含工作站、轉換器、傳感器、執行器，氧艙壓力自動控制系統硬件框架示意圖如圖2 所示。

圖2 氧艙壓力自動控制系統硬件框架示意圖

工作站采用臺灣研祥的IPC-818 系列工控機，工控機安裝高壓氧艙自動控制系統和美國Advantech 公司的PCL-726、PCL-818L 板卡，PCL-818L 為數據采集板卡，通過轉換器與傳感器進行通訊。PCL-726 為數據發送板卡，通過轉換器與執行器進行通訊。

轉換器能將系統信號在直流電流與電壓之間進行轉換。傳感器、執行器與工作站之間距離較遠，采用電壓信號傳輸會因線路損耗造成信號衰減，產生誤差，使得控制系統不易準確和穩定。傳感器、執行器采用直流電流4～20 mA信號傳輸時，又不能被PCL-818L 板卡、PCL-726 板卡直接讀取，因此轉換器將4～20 mA 直流電流信號與1～5 V 直流電壓信號之間進行轉換，可便于高壓氧艙控制系統在保證控制精度的前提下增加信號傳輸的距離。

傳感器是能感受壓力信號，并能按照一定的規律將壓力信號轉換成可用的輸出的電信號的器件或裝置。氧艙控制系統中選取的壓力傳感器型號：MSP-300-025-B-5-N-1，為美國MSI 公司MSP 系列壓力傳感器,采用微熔技術，具有防泄露、無“O”型圈、無焊縫、無硅油等特點，其壓力腔采用17-4PH 不銹鋼單件一體式結構加工而成，量程：25 bar，采用4～20 mA 兩線制輸出，標準壓力接口采用1/4NPT 外螺紋接頭，可以保證良好的氣密性。

執行器是自動化控制技術工具中接收控制信號并對受控對象施加控制運行作用的裝置，其性能直接影響控制的質量。氧艙自動控制系統中需要對升壓速度、減壓速度、排氧流量進行調節，為成本控制和調節精度的前提下，采用智能定位器配合氣動薄膜調節閥作為執行器。

自控系統向執行器發出4～20 mA 的電流信號，智能閥門定位器接收控制信號，并向氣動薄膜調節閥輸出氣壓信號，線性調節閥芯動作，執行器如圖3 所示。氣動薄膜調節閥采用富陽中亞閥業的ZXP-25P，通過氣動方式，推動閥蓋內的密封橡膠墊克服閥桿彈簧向上提升閥芯，閥芯行程共16 mm，其具有線性流量特性、公稱通徑20 mm、閥座直徑20 mm、公稱壓力2.5 MPa、工作溫度20℃～200℃、信號壓力0.1～0.2 MPa、額定流量6.9 等特點。智能定位器采用YTC 公司的本安型YT-3300，是一種不需要人工調校自動檢測調節閥零點、滿程、摩擦系統，自動設置控制參數的定位器，其內置微處理器，具有PID 控制，可精確控制閥位，具有4～20 mA 輸入信號、-30℃～85℃寬運行溫度、0.14～0.7 MPa 寬支持壓力等特點。

圖3 執行器

3 氧艙自控系統軟件的設計

氧艙自控系統軟件的設計采用Delphi7.0 作為集成開發環境用于系統程序代碼的編輯、分析、編譯、調試等。Delphi7.0 是Borland 公司于2002 年發行的在windows 平臺下的快速應用程序開發工具（Rapid Application Development，RAD），采用Object Pascal 語言，其面向對象的編程框架方便用戶快捷的開發Windows 應用程序，其可視化組件庫的多態性、封裝性及繼承性提供了強大的編程控制能力，用戶亦可通過創建自己的新組件來擴展程序的功能[15]。

3.1 Δp的PID控制代碼

Δp 作為PID 控制方程的輸入參數，而氧艙的自動控制程序的穩定性依賴于PID 的控制方程，而PID 控制方程的參數最便捷的確定方式為經驗調試法，因此控制系統程序的核心為Δp 的方程式計算，同時需要滿足PID 參數輸入的便捷性。升壓段核心代碼如下：

升壓段的壓力控制采用分時段的方式，共10 個時間段，不同的時間段的PID 參數各不同，采用變量A1、B1……A10、B10 作為程序代碼中PID 的變量。Δp 作為實際壓力與理想曲線壓力之間的差值，在Δp>-1.0 時采用的PID方程為A1+Pa1_dal*B1，在Δp<-1.0 時采用的PID 方程為Pa1_dal:=A1+Pa1_dal*Pa1_dal*B1。在實際壓力與理想曲線壓力之間差值過大即Δp<-1.0 時，PID 控制的輸出值較Δp>-1.0時的輸出值大，能夠確保加壓過程實際壓力曲線能夠快速響應。PID 的參數A1、B1……A10、B10 可在氧艙控制程序界面進行設置，方便于采用經驗調試法確定PID 參數。

穩壓段、減壓段采用和升壓段相同的控制、類似的代碼，均為分時間段、不同參數進行控制。

3.2 采樣與輸出函數

采樣與輸出函數是控制系統獲取現場采樣數據，以及發送執行器所需控制信號的函數，是控制系統的“神經傳輸通道”，同時，Δp 的計算依賴于采樣函數的準確性。工作站采用PCL-818L、PCL-726 作為數據采集、發送板卡，因此在氧艙自控系統中可應用代碼調用板卡驅動程序獲取采樣值、發送數據等操作。

采樣函數的主要代碼如下：

輸出函數主要代碼如下：

3.3 治療方案的保存與讀取

治療方案是氧艙壓力控制運行的依據，也是理想曲線繪制的重要節點數據，其標注了加壓段的總時間、壓力值，穩壓段各吸氧、休息段的時間值，減壓段開始的時間值，減壓段停留的壓力值、時間值，以及治療結束的時間值。

氧艙控制系統的治療方案采用數據庫存儲的方法，數據庫為PARADOX，Delphi7.0 安裝完成后，可通過系統菜單調用Database Desktop 進行數據編輯，治療方案數據庫如圖4 所示。

圖4 治療方案數據庫

治療方案共10 個，升壓段設計共5 段，穩壓段設計共7 段，減壓段設計共3 段。Sp1～Sp5 為升壓段節點壓力值，單位為kPa，St1～St5 為升壓段節點時間值，單位為秒；Hp1～Hp7 為穩壓段節點壓力值，單位為kPa，Ht1～Ht7 為穩壓段節點時間值，單位為秒；Jp1～Jp3 為減壓段節點壓力值，單位為kPa，Jt1～Jt3 為減壓段節點時間值，單位為秒（s）。

圖4 中治療方案1，Sp1 為150，St1 為900，即方案1的治療壓力為150 kPa，加壓時間為900 s（15 min）；Hp1、Hp2、Hp3 均 為150，Ht1 為2700、Ht2 為3000、Ht3 為4800 s，即方案1 在150 kPa 壓力下吸氧至2700 s（45 min），摘下面罩開始休息至3000 s（50 min）繼續吸氧，至4800（80 min）處開始減壓；Jp1、Jp2 均為30，Jt1 為5400、Jt2 為5700，即方案1 由150 kPa 減壓至30 kPa 時為5400 s（90 min），在30 kPa 處停留至5700 s（95 min），然后繼續減壓至0 kPa，時間截止至6000 s（100 min），治療方案1 的理想曲線如圖5 所示。

圖5 治療方案1理想曲線圖

4 應用效果

工作站硬件運行穩定，12 位的數據采集板PCL-818L可精確識別到壓力值的千分位，能夠滿足自動控制對壓力值精度的要求。PCL-726 輸出的4～20 mA 電流環抗干擾性強，避免了以往將輸出的電壓信號通過電子電路轉換為電流信號后造成的非線性、漂移等現象。

轉換模塊收發數據穩定，各信號及端子間相互干擾小。采用的高精密金屬膜電阻具有低溫度系數、阻值誤差小等特點，能夠在4～20 mA 直流電流信號與1～5 V 直流電壓信號之間進行精確轉換，供PCL-818L、PCL-726L 與壓力傳感器、氣動薄膜調節閥之間準確通訊。

智能閥門定位器內置微處理器，可根據閥門行程反饋，自動設定閥門的最佳PID 參數，與氣動薄膜調節閥匹配良好，線性度高，對工作站的氧艙控制系統軟件發出的調節信號響應迅速。

PID 控制有著結構簡單、魯棒性好、可靠性高等優點[16]。氧艙控制系統采用的PID 控制方式解決了艙內壓力控制的穩定性、快速性、準確性，基于負反饋，并在控制過程中不斷的采樣、比較、執行，用采樣值與期望值之間的偏差來糾正系統的響應。高壓氧艙在壓力控制過程中，通過PID的控制方式，可實現氣動薄膜調節閥響應迅速，使得壓力采樣值與期望值之間的偏差Δp 迅速小幅振蕩減小，實際運行過程中，壓力采樣值在期望值±5 kPa 之間振蕩，患者在艙內幾乎感受不到氣壓的波動，控制效果顯著。

5 結論

本研究所設計的基于PID 的高壓氧艙自動控制系統，工作站運行穩定，PCL-818L、PCL-726 模數之間轉換時精度高、響應快，轉換模塊對各信號的準確傳輸具有良好的支持能力。通過PID 參數的經驗調試，可在氧艙投入使用前確定不同治療方案的PID 控制參數，使得調試后的氧艙控制系統在不同治療方案下都能保障控制的可靠性、準確性。基于PID 的高壓氧自動控制系統的研究減少人為操艙的干預，提高了工作效率，同時為智能化、差異化的自動控制奠定了基礎。