機械通氣控制原理課件

機械通氣控制原理

誼安醫(yī)療呼吸事業(yè)部劉慶平機械通氣控制原理主要內容機械通氣控制系統(tǒng)機械通氣的控制目標機械通氣的控制效果監(jiān)測與衡量指標如何實施控制影響通氣控制性能的因素控制的核心思想總結機械通氣控制原理機械通氣控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的一般結構機械通氣控制原理機械通氣控制系統(tǒng)包括通氣管理者在內的控制系統(tǒng)機械通氣控制原理機械通氣控制系統(tǒng)閉環(huán)反饋控制的意義降低系統(tǒng)參數變化造成的影響；提高抗干擾能力；可抑制傳感器的高頻噪聲影響；提高穩(wěn)態(tài)跟蹤精度；使系統(tǒng)的瞬態(tài)響應變得可控。閉環(huán)反饋控制的代價增加器件成本：反饋器件、控制器；加大驅動能力需求；可能造成不穩(wěn)定。機械通氣控制原理機械通氣的控制目標氣道壓力：PCV潮氣量（流量或壓力）：VCV、PRVC分鐘通氣量（潮氣量×通氣頻率）：MMV、ASVCO2分壓：IntelliVentSpO2脈搏血氧飽和度：CLiO2患者的舒適度？？？綜合目標：SmartCare人機協(xié)調、盡可能快的撤機？？？目標非常模糊！機械通氣控制原理機械通氣的控制目標目標的層次化：比如PRVC目標的清晰化：可定量監(jiān)測目標的規(guī)劃：比如目標不能突變，應該光滑改變PRVC控制系統(tǒng)機械通氣控制原理主要內容機械通氣控制系統(tǒng)機械通氣的控制目標機械通氣的控制效果監(jiān)測與衡量指標如何實施控制影響通氣控制性能的因素控制的核心思想總結機械通氣控制原理控制效果的監(jiān)測和衡量監(jiān)測準確：監(jiān)測如果有誤，控制將變得非常危險！快速：快過整個閉環(huán)的響應（至少5倍）控制效果的衡量保持對目標的跟蹤（穩(wěn)態(tài)、動態(tài)），在有干擾的情況下也是如此快、準、穩(wěn)機械通氣控制原理控制效果的監(jiān)測和衡量監(jiān)測精度：Xe—Xo控制精度：Xo—Xr控制中總是使：Xe

Xr，故控制精度不會高于監(jiān)測精度機械通氣控制原理控制效果的監(jiān)測和衡量階躍響應曲線Tr：上升時間，10%～90%目標值，或0～90%目標值Ts：調整時間機械通氣控制原理控制效果的監(jiān)測和衡量斜坡跟蹤性能抗干擾性能機械通氣控制原理主要內容機械通氣控制系統(tǒng)機械通氣的控制目標機械通氣的控制效果監(jiān)測與衡量指標如何實施控制影響通氣控制性能的因素控制的核心思想總結控制器的結構控制算法分類執(zhí)行元件的特性被控對象的特性幾種控制器的設計機械通氣控制原理控制器的結構分類串聯反饋結構：單獨串聯反饋如無法滿足性能，可考慮以下兩種結構前饋+反饋結構：加入前饋可補償非線性，即將反饋控制限制在目標值附近的線性域內調節(jié)內外環(huán)結構：將內部狀態(tài)變量進行反饋以提高性能，常見的如閥芯速度反饋，此結構還常見于系統(tǒng)內部本來就存在非?？斓膭討B(tài)子系統(tǒng)的情況機械通氣控制原理控制算法分類控制算法的分類基于模型的控制傳統(tǒng)的線性系統(tǒng)控制自適應逆控制、內?？刂频确腔谀Ｐ偷目刂芇ID控制（經典）智能控制：如專家控制、模糊控制算法分類原理和特點應用范圍PID控制算法利用誤差的比例項、積分項和微分項構造控制輸出。其特點是不需要精確的系統(tǒng)建模，但合適的控制參數需試驗整定對控制性能要求不高；系統(tǒng)模型本來就不復雜；控制核心元件的性能有限無法支持復雜的計算基于模型的算法基于復雜的控制理論如最優(yōu)控制、自適應控制、魯棒控制、系統(tǒng)辨識、狀態(tài)觀測等所構建的控制算法。其特點是需要精確的系統(tǒng)模型知識，任何一控制參數的設計都有理論依據可推出確定的系統(tǒng)模型；對控制性能要求高智能控制算法利用人工智能原理如專家系統(tǒng)、模糊專家系統(tǒng)、人工神經網絡等所構建的控制算法。其特點也是不需要精確的系統(tǒng)模型，以經驗知識為基礎調節(jié)輸出控制量經驗知識量足夠大；無法建立確定的系統(tǒng)模型；不關心系統(tǒng)內部參數或狀態(tài)；對控制性能要求不高機械通氣控制原理執(zhí)行元件的特性節(jié)流閥靜態(tài)特性機械通氣控制原理執(zhí)行元件的特性壓力控制閥靜態(tài)特性機械通氣控制原理執(zhí)行元件的特性動態(tài)響應特性流量從上個90%減小到10%的變化時間:52.5ms流量從10%增加到90%的變化時間:35.5ms可近似看作一階慣性環(huán)節(jié)機械通氣控制原理被控對象特性Q：總流量，等于肺流量QL和回路內流量QT之和，一般指閥出口流量，也應包括新鮮氣體；Paw：氣道壓力；CT：氣路順應性；CL：肺順應性；RL：氣阻機械通氣控制原理被控對象的數學模型如以流量Q為輸入，氣道壓力Paw為輸出的被控呼吸力學模型為：忽略管路順應性如以氣道壓力Paw為輸入，流量Q為輸出則顛倒之：輸入輸出互為因果，誰為輸出，誰為輸入，要視被控變量是誰和執(zhí)行元件是壓力源還是流量源而定機械通氣控制原理節(jié)流閥結構的流量控制閥后端壓力對流量影響可忽略，故而患者力學模型不必在控制器設計中考慮機械通氣控制原理節(jié)流閥結構的壓力控制節(jié)流閥控制流量容易，控制壓力比較困難，這時一定要考慮被控對象患者的力學特性，被控對象的力學模型參數通過在線辨識算法得到機械通氣控制原理壓力閥結構的壓力控制同前面的節(jié)流閥控制流量一樣，利用壓力控制壓力相對容易，不需要考慮被控對象的特性，采用前饋+PID反饋的形式就可以獲得較好的控制性能，其中前饋部分即校驗得到的閥的靜態(tài)控制壓力對應的控制電壓機械通氣控制原理主要內容機械通氣控制系統(tǒng)機械通氣的控制目標機械通氣的控制效果監(jiān)測與衡量指標如何實施控制影響通氣控制性能的因素控制的核心思想總結機械通氣控制原理影響通氣控制性能的因素干擾監(jiān)測噪聲模型不確定性和參數不確定性非線性：死區(qū)、遲滯、飽和執(zhí)行器件本身的共振和失穩(wěn)高靈敏度特性數字控制的非連續(xù)性輸入端濾波輸出端濾波魯棒控制和自適應控制執(zhí)行器件的改進和控制器的特殊設計改進執(zhí)行器件結構，如增大阻尼或提高共振頻率點對策機械通氣控制原理高靈敏度對控制性能的影響高靈敏度是指：微小的輸入就可以產生很大的輸出，從控制的角度而言，輸入是指控制電流或電壓等變量，輸出是指控制的目標流量或壓力等；反饋控制的核心思想之一就是盡量減小輸入干擾對輸出的影響，即降低輸出對干擾的靈敏度；但是干擾靈敏度的降低卻伴隨著傳感器噪聲靈敏度的提升，因此在控制器設計時，抑制傳感器噪聲（一般是高頻段）和提升抗輸入干擾（一般是低頻干擾）性能要折中考慮！兩個不易控制的極端情況：節(jié)流閥壓力控制（大氣阻、小順應性）：壓力閥流量控制（小氣阻、大順應性）：機械通氣控制原理影響通氣控制性能的因素提高控制性能是否一定意味要增加成本？？？通常是這樣的，但前提是系統(tǒng)中的各單元已經進行了優(yōu)化機械通氣控制原理控制的核心思想系統(tǒng)的思想：考慮系統(tǒng)中的每個因素；模塊化：數學模型或經驗輸入/輸出特性；反饋：信息及時溝通并保持對目標的跟蹤；折中設計：魯