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1、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）
2、：MMV、ASVCO2分压：IntelliVentSpO2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
3、此快、准、稳,控制效果的监测和衡量,监测精度：XeXo控制精度：XoXr控制中总是使：XeXr，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
4、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,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
5、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
6、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电压,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,影响通气控制性能的因素,干扰监测噪声模型不确定性和参数不确定性非线性：死区、迟滞、饱和执行器件本身的共振和失稳高灵敏度特性数字控制的非连续性,输入端滤波输出端滤波鲁棒控制和自适应控制执行器件的改进和控制器的特殊设计改进执行器件结构，如增大阻尼或提高共振频率点,对策,高灵敏度对控制性能的影响,高灵
7、敏度是指：微小的输入就可以产生很大的输出，从控制的角度而言，输入是指控制电流或电压等变量，输出是指控制的目标流量或压力等；反馈控制的核心思想之一就是尽量减小输入干扰对输出的影响，即降低输出对干扰的灵敏度；但是干扰灵敏度的降低却伴随着传感器噪声灵敏度的提升，因此在控制器设计时，抑制传感器噪声（一般是高频段）和提升抗输入干扰（一般是低频干扰）性能要折中考虑！,两个不易控制的极端情况：,节流阀压力控制（大气阻、小顺应性）：,压力阀流量控制（小气阻、大顺应性）：,影响通气控制性能的因素,提高控制性能是否一定意味要增加成本？,通常是这样的，但前提是系统中的各单元已经进行了优化,控制的核心思想,系统的思想：考虑系统中的每个因素；模块化：数学模型或经验输入/输出特性；反馈：信息及时沟通并保持对目标的跟踪；折中设计：鲁棒控制在线学习改进：自适应控制,总结,合理的控制目标；确定控制性能需求指标；对控制系统中的每个环节进行建模，并确定它们之间的关系；视控制的难易，选择基于模型的控制器或经典的PID控制器；根据控制效果，分析并改善系统中的短板。,
