蘇虞磊，嚴(yán)琴琴，張 典，曲蘊慧

(西安醫(yī)學(xué)院 衛(wèi)生管理學(xué)院，陜西 西安 710021)

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 別名有機玻璃-PMMA，是常見熱塑性聚合物材料的一種，因其質(zhì)量輕、抗老化性能好、透明性優(yōu)良、不易碎裂及有較好的機械性能等特點，被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、航空、機械制造、建筑等方面，高壓氧艙作為高壓氧療法的專用設(shè)備，其安全和有效使用是保障治療效果的關(guān)鍵。目前高壓氧艙的控制方式多為手動或簡單的自動控制，影響控制精度。因此，其精度高、高穩(wěn)定性的智能控制系統(tǒng)的設(shè)計有著重要的現(xiàn)實需求與應(yīng)用價值。基于常見的PID控制算法，將其作為內(nèi)環(huán)，采用專家?guī)旌妥赃m應(yīng)算法進行算法改進，控制系統(tǒng)能夠依據(jù)高壓氧艙內(nèi)的溫濕度、氧氣體含量、艙內(nèi)人數(shù)等，對PID參數(shù)進行智能調(diào)整，達到在不同情況和不同治療方案下高壓氧艙的治療效果最佳。

1 高壓氧艙制備材料

聚甲基丙烯酸甲酯(有機玻璃-PMMA)作為目前常見的透明高分子材料之一，屬于典型的長鏈的高分子化合物，具有較為柔然的分子鏈。一方面有較高的強度，并在抗沖擊和抗拉伸方面，能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越普通玻璃。尤其經(jīng)過特殊拉伸和加熱處理過的有機玻璃-PMMA材料，韌性顯著提高，分子鏈段也排列的有次序。同時，有機玻璃-PMMA經(jīng)過拋光后外觀上具有類似水晶般的光澤，在醫(yī)用方面，是常見的有機透明型材料。有機玻璃-PMMA作為主要的受壓元件，在醫(yī)用高壓氧艙領(lǐng)域被廣泛使用，部分作為觀察窗和用作照明窗，部分也作為筒體。醫(yī)用高壓氧艙工作壓力不高( 一般均不超過 0．2 MPa)，醫(yī)用高壓氧艙的筒體、端蓋封頭或門部分使用鋼制材料，強度和剛度指標(biāo)無論是設(shè)計還是制造，均能得到一定的性能保障和質(zhì)量保證。醫(yī)用高壓氧艙實例如圖1所示。

圖1 高壓氧艙實例Fig.1 Example of hyperbaric oxygen chamber

我國特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范氧艙安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程中對于有機玻璃-PMMA材料的使用要求，有機玻璃-PMMA管材的最大、最小壁厚差和板材的厚度差應(yīng)不大于公稱壁厚和公稱厚度的10% ；筒體、觀察( 照明) 窗等的有機玻璃-PMMA材料的受壓元件，應(yīng)符合澆筑型有機玻璃-PMMA管材、板材產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)一等品的要求，具體如表1、表2所示。

表1 有機玻璃-PMMA管材物理、力學(xué)性能指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical properties of PMMA pipe

表2 有機玻璃-PMMA板材物理、力學(xué)性能指標(biāo)Tab.2 Physical and mechanical properties of PMMA sheet

針對有機玻璃-PMMA表面銀紋的產(chǎn)生和擴展，不僅造成了其光學(xué)透明度下降，重要的造成有機玻璃-PMMA材料強度迅速降低。由于銀紋位置產(chǎn)生的局部應(yīng)力，使得醫(yī)用高壓氧艙有機玻璃-PMMA最終潛在風(fēng)險會導(dǎo)致其損傷破裂或爆炸等惡性事故發(fā)生。

2 高壓氧艙自動控制算法分析

雖然高壓氧艙自動控制系統(tǒng)可能存在裝置失效、干擾過強、電壓信號轉(zhuǎn)化為電流信號引起的非線性等隱患。采用該算法作為內(nèi)環(huán)，并采用專家?guī)旌妥赃m應(yīng)算法進行輔助控制，以實時、有效調(diào)整PID控制器。自適應(yīng)是一種在處理或分析過程中，結(jié)合實際數(shù)據(jù)特征對自身算法進行自動調(diào)整的算法，能夠?qū)崿F(xiàn)其約束條件、邊界條件、順序等因素的調(diào)整，以盡可能達到最佳的處理效果。該系統(tǒng)的自動控制算法原理圖如圖2所示。

圖2 高壓氧艙自動控制算法原理Fig.2 Schematic diagram of automatic control algorithm for hyperbaric oxygen chamber

內(nèi)環(huán)PID控制離散化公式：

(1)

式中：()為系統(tǒng)調(diào)節(jié)量；為比例系數(shù)；為積分系數(shù)；為微分系數(shù)；()為系統(tǒng)第步時偏差。

在該算法的設(shè)計中，將艙壓的實時采集值與理論值之間差距定義為△，設(shè)=|100×△理論艙壓|，依據(jù)值大小分為5個區(qū)間，分別為<1、[1,2)、[2,3)、[3,4)和≥4，值取整后分別為1、2、3、4。以同樣的方法劃分艙內(nèi)溫度(12～31 ℃，得到=12，13，…，31，溫度小于12 ℃時，記為=12 ℃；用表示高壓氧艙內(nèi)的人數(shù)，的最大值為32。由、和這3個參數(shù)建立專家?guī)?。系統(tǒng)運行時，依據(jù)、、3個坐標(biāo)從專家?guī)熘羞x取對應(yīng)的PID參數(shù)，在自適應(yīng)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)作用下，控制PID參數(shù)，同時專家?guī)旒皶r記錄PID參數(shù)的最優(yōu)解。自適應(yīng)算法的最優(yōu)準(zhǔn)則有最小二乘準(zhǔn)則、最小均方誤差以及統(tǒng)計檢測準(zhǔn)則，等等。該系統(tǒng)控制算法選擇最小二乘法進行調(diào)節(jié)。氧艙控制過程描述為：

()()=()()()+()()

(2)

式中：()、()、()分別為后向移位因子-1的多項式；()為系統(tǒng)采樣序列；()為系統(tǒng)調(diào)節(jié)量序列；()為有節(jié)白噪聲序列；為過程時滯。高壓氧艙控制系統(tǒng)最小二乘法最優(yōu)調(diào)節(jié)步驟：

(1)計算值，并按照3個坐標(biāo)、、選取出專家?guī)熘袑?yīng)的PID參數(shù)；

(2)采集當(dāng)前高壓氧艙內(nèi)實際壓力，記為；

(3)以最小二乘法得到PID的3個參數(shù)值；

(4)計算系統(tǒng)的調(diào)節(jié)量()；

(5)將()傳遞給控制過程，返回(2)進行循環(huán)調(diào)節(jié)。

3 高壓氧艙智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 工作站

工作站采用的主機為研祥IPC-810工控機，該型號工控機能夠兼容多種工業(yè)母板和全系列全長卡。選擇IPC-6116LP4工業(yè)底板，F(xiàn)SC-1814標(biāo)準(zhǔn)全長CPU卡作為主板。信號輸入板卡型號為PCL-818L，此板卡采樣時頻率設(shè)為10 MHz，數(shù)據(jù)采樣信號采取差分輸入，信號采樣范圍為單極性0～5 V，有16個連續(xù)字節(jié)的I/O端口，通過端口模塊實現(xiàn)對氧艙數(shù)據(jù)的采集。輸出板卡型號為PCL-726，此板卡輸出的4～20 mA電流環(huán)有著較強的抗干擾性。采用對地負(fù)載和懸浮電源的方式將執(zhí)行器與PCL-726輸出板卡相連，并需要直流24 V電源供電，PCL-726板卡輸出連接示意圖如圖3所示。

圖3 PCL-726板卡輸出連接示意圖Fig.3 Output connection of the PCL-726 board

3.2 端口模塊

端口模塊是系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，相當(dāng)于信號通信的樞紐。通過DB-37接口連接系統(tǒng)的輸入、輸出板卡，模塊內(nèi)置直流24 V電源，滿足輸出板卡用電需求，并能夠為壓力傳感器提供電源。端口模塊會將氧濃度傳感器和壓力傳感器輸出的4～20 mA采樣電流信號輸送到工作站，傳感器輸入側(cè)需并聯(lián)一個250 Ω的精密電阻，從而將4～20 mA直流轉(zhuǎn)換為1～5 V的電壓；然后與PCL-818 L板卡建立連接。智能控制系統(tǒng)經(jīng)輸出板卡發(fā)送的直流電流調(diào)節(jié)信號，端口模塊接收并分發(fā)至各執(zhí)行器信號端。

3.3 傳感器

壓力傳感器

該系統(tǒng)采用MSP-300-025-B-5-N-1型號壓力傳感器，有著較好的穩(wěn)定性和耐用性，具有100%無泄漏、無O形圈、工作溫度范圍寬等優(yōu)點；采用4～20 mA兩線制輸出方式，由端口模塊的內(nèi)置電源供電。

溫濕度傳感器

溫濕度傳感器采樣點位于高壓氧艙內(nèi)部，與壓力傳感器相匹配，都采用兩線制串行通信方式。選擇SHT11型號溫濕度傳感器芯片，具有精度高、占位面積小、全校準(zhǔn)數(shù)字式輸出等優(yōu)點。SHT11溫濕度傳感器與工作站距離較遠(yuǎn)，為保證信號傳輸效率，其通過12C接口與基于單片機的溫濕度變送器連接；之后經(jīng)RS485接口與RS485-USB轉(zhuǎn)換器相連接，通過USB接口將溫濕度傳感器信號傳輸至工作站。

艙位傳感器

艙位傳感器采集患者人數(shù)和患者所處位置的設(shè)備。接近開關(guān)使用方便，適合用于高壓氧艙，以獲取艙內(nèi)患者的數(shù)量。艙位傳感器和吸氧管路都安裝在座椅的側(cè)邊位置，選擇電容式接近開關(guān)。當(dāng)有患者準(zhǔn)備進行吸氧治療時，需要先將吸氧面具戴好，然后將吸氧管插入高壓氧艙的吸氧管路接口位置，接近開關(guān)會打開，給予患者高壓氧治療。該系統(tǒng)中，艙位傳感器負(fù)責(zé)向自動控制系統(tǒng)的輸入板卡傳輸數(shù)字量信號，系統(tǒng)才能夠明確幾位患者需要吸氧治療，以提供針對性的供、排氧。相比于傳統(tǒng)的治療過程，智能控制系統(tǒng)可減少醫(yī)護人員的工作量，同時也提升了高壓氧艙的醫(yī)療安全性。

氧濃度傳感器

采用AAY80-390R型號的CITICEL氧濃度傳感器，其測量的氧氣體積分?jǐn)?shù)為1%～25%，輸出電流為(0.10±0.02)mA，工作溫度為-20～50 ℃。ML-Ⅱ型測氧儀內(nèi)，不僅集成了氧濃度傳感器，也增加了放大器、變送器等零器件。A/D轉(zhuǎn)換器的作用是將模擬信號轉(zhuǎn)換為計算機可識別的數(shù)字信號，以供AT89C52單片機識別與處理，單片機輸出4～20 mA的直流電流至端口模塊?？紤]到高壓氧艙內(nèi)部器件的功率不能過高，因此有的設(shè)計會將氧濃度傳感器安裝在氧艙外部，定時采集艙內(nèi)氧濃度。

3.4 執(zhí)行器

為提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，執(zhí)行器設(shè)計采用智能型電氣閥門定位器配合氣動薄膜調(diào)節(jié)閥進行系統(tǒng)控制；ZXP-25P型號氣動薄膜調(diào)節(jié)閥，具有質(zhì)量輕、安裝與維修方便等特點；本安型YT-3300電氣閥門定位器，可接收系統(tǒng)中4～20 mA內(nèi)的電流信號，并將其轉(zhuǎn)化為氣壓信號；內(nèi)置微處理器可精確控制閥門的開度，簡單操作即可調(diào)整PID值。

4 高壓氧艙智能控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

采用Delphi7.0編程工具開發(fā)系統(tǒng)軟件，Project Pascal編程語言，設(shè)計的高壓氧艙智能控制系統(tǒng)安全問題相對更少，使用更加簡便。

4.1 采樣與輸出函數(shù)

這2個函數(shù)是系統(tǒng)收集相關(guān)治療信息并給出治療指令的關(guān)鍵。采樣函數(shù)可對高壓氧艙內(nèi)各項參數(shù)進行精準(zhǔn)采集，編寫的采樣函數(shù)程序中包含調(diào)用PCL-818 L、選擇通道、設(shè)置電壓范圍、顯示電壓值等代碼；輸出函數(shù)的程序中包含打開PCL-726、獲取設(shè)備列表、設(shè)置通道、發(fā)送調(diào)節(jié)量信號等代碼，以完成將調(diào)節(jié)值傳輸給調(diào)節(jié)器的工作，實現(xiàn)對進氣閥門、排氣閥門以及眾多設(shè)備的靈活控制。

4.2 控制函數(shù)

該函數(shù)是控制系統(tǒng)軟件的核心。控制函數(shù)由Timer控件控制，該控件可有規(guī)律的間隔一定時間執(zhí)行一遍代碼。Timer控件Interval屬性設(shè)置為1 000，即每隔1 ms執(zhí)行一次控制函數(shù)?？刂坪瘮?shù)將采樣函數(shù)獲取的實際氧艙氣壓值與艙壓理論值之間的差值()，以及()與前一時刻(-1)之間的偏差()均作為控制函數(shù)的輸入值，經(jīng)控制算法計算后得到、和，計算出系統(tǒng)的調(diào)節(jié)量()。

軟件流程

本設(shè)計的系統(tǒng)軟件的執(zhí)行流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程Fig.4 System software flow

由圖4可知，首先啟動系統(tǒng)，醫(yī)務(wù)人員在軟件上選擇已有的或者輸入患者的針對性治療方案。病人進入艙內(nèi)，確定系統(tǒng)運行正常才能開始治療。由一系列的傳感器獲取艙內(nèi)治療人數(shù)、氣源壓力、溫濕度、氧濃度等參數(shù)，在自適應(yīng)算法下自動調(diào)整PID參數(shù)，進行安全、高效的高壓氧治療。同時為保障治療安全性，可自定義設(shè)置氧濃度、壓力以及艙體使用次數(shù)報警值。治療結(jié)束后，患者的治療數(shù)據(jù)自動存入系統(tǒng)存儲器，也可打印出本次治療的數(shù)據(jù)和曲線圖。另外，隨著高壓氧艙系統(tǒng)的優(yōu)化和完善，可通過軟件操控系統(tǒng)指示燈、顯示屏、音頻播放等。

5 結(jié)語

通過對高壓氧艙結(jié)構(gòu)與原理的分析，在硬件和軟件上設(shè)計了一種基于自適應(yīng)算法的高壓氧艙智能控制系統(tǒng)，常用的PID控制算法，采用專家?guī)旌妥赃m應(yīng)算法進行優(yōu)化，使得高壓氧艙控制系統(tǒng)更加精準(zhǔn)、有效，適用于多種治療方案，進一步減少了人工操作失誤的可能性，使其具備穩(wěn)定性高、抗突發(fā)故障以及自適應(yīng)強等特點，促進患者的高壓氧治療效果。