(57)【要約】比例弁を制御するための方法（４００）。方法は：（i）比例流量制御弁（１４０）、流量センサ（１５０）及び調整可能なゲイン（１８０）を有する閉ループ流量コントローラ（１１０）と、閉ループ流量コントローラのモデル（１６０）及びゲイン制御（１７０）を備える適応コントローラ（１２０）とを含む、比例流量弁機構を提供するステップ（４１０）と；（ii）比例流量制御弁を作動させるステップ（４２０）と；（iii）実際のガス流量を測定するステップ（４３０）と；（iv）測定されたガス流量と所望のガス流量との間の差を決定するステップ（４４０）と；（v）決定された差を使用して比例流量制御弁を調整するステップ（４５０）と；（vi）閉ループ流量コントローラのモデルからの応答を開始するステップ（４６０）と；（vii）閉ループ流量コントローラのゲインを決定するステップ（４７０）と；（viii）閉ループ流量コントローラの調整可能なゲインを調整するステップ（４８０）とを備える。
2018528550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
比例弁を制御するための方法であって、当該方法は：
比例流量弁機構を提供するステップであって、該機構は：（i）比例流量制御弁、流量センサ及び調整可能なゲインを有する閉ループ流量コントローラと；（ii）前記閉ループ流量コントローラのモデル及びゲイン制御とを備える適応コントローラとを備える、ステップと、
前記閉ループ流量コントローラによって、前記比例流量制御弁を作動させるステップと、
前記流量センサによって、実際のガス流量を測定するステップと、
前記閉ループ流量コントローラによって、前記測定されたガス流量と所望のガス流量との間の差を決定するステップと、
前記決定された差を使用して前記比例流量弁を調整するステップと、
前記所望のガス流量を使用して、前記閉ループ流量コントローラの前記モデルからの応答を開始するステップと、
前記ゲイン制御、前記所望のガス流量及び前記閉ループ流量コントローラの前記モデルからの応答を使用して、前記閉ループ流量コントローラのゲインを決定するステップと、
前記決定されたゲインを使用して、前記閉ループ流量コントローラの前記調整可能なゲインを調整するステップと、
を備える、方法。
【請求項２】
所望のガス流量を受け取るステップ
を更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記閉ループ流量コントローラの前記調整可能なゲインを調整するステップは、前記閉ループ流量コントローラの前記モデルからの前記応答と前記測定されたガス流量との差を減少させる、
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記比例流量弁機構はベンチレータの構成要素である、
請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記のガスは酸素である、
請求項１に記載の方法。
【請求項６】
比例流量弁機構であって、当該機構は：
ガス源と；
前記ガス源からのガス流量を制御するように構成される比例流量弁と；
前記比例流量弁からのガス流量を測定するように構成される流量センサと；
調整可能なゲインを備える閉ループ流量コントローラであって、該閉ループ流量コントローラは、測定されたガス流量と所望のガス流量との間の差を決定するように構成され、前記決定された差を使用して前記比例流量弁を調整するように更に構成される閉ループ流量コントローラと；
前記閉ループ流量コントローラのモデル及びゲイン制御を備える適応コントローラであって、該適応コントローラは、前記閉ループ流量コントローラの前記モデルからの応答を決定するように構成され、前記ゲイン制御、前記所望のガス流量及び前記閉ループ流量コントローラの前記モデルからの応答を使用して、前記閉ループ流量コントローラについての調整因子を決定するように更に構成される、適応コントローラと；
を備える、比例流量弁機構。
【請求項７】
前記閉ループ流量コントローラは、前記調整因子を使用して調整可能なゲインを調整するように更に構成される、
請求項６に記載の比例流量弁機構。
【請求項８】
前記閉ループ流量コントローラは、前記所望のガス流量を示す入力を受け取るように更に構成される、
請求項６に記載の比例流量弁機構。
【請求項９】
前記閉ループ流量コントローラの調整可能なゲインを調整することは、前記閉ループ流量コントローラの前記モデルからの応答と前記測定されたガス流量との間の差を減少させる、
請求項６に記載の比例流量弁機構。
【請求項１０】
前記のガスは酸素である、
請求項６に記載の比例流量弁機構。
【請求項１１】
比例弁機構はベンチレータの構成要素である、
請求項６に記載の比例流量弁機構。
【請求項１２】
ベンチレータであって、当該ベンチレータは：
ガス源と；
前記ガス源からのガス流量を制御するように構成される比例流量弁と；
前記比例流量弁からのガス流量を測定するように構成される流量センサと；
調整可能なゲインを備える閉ループ流量コントローラであって、該閉ループ流量コントローラは、測定されたガス流量と所望のガス流量との間の差を決定するように構成され、前記決定された差を使用して前記比例流量弁を調整するように更に構成される閉ループ流量コントローラと；
前記閉ループ流量コントローラのモデル及びゲイン制御を備える適応コントローラであって、該適応コントローラは、前記閉ループ流量コントローラの前記モデルからの応答を決定するように構成され、前記ゲイン制御、前記所望のガス流量及び前記閉ループ流量コントローラの前記モデルからの応答を使用して、前記閉ループ流量コントローラについての調整因子を決定するように更に構成される、適応コントローラと；
を備える、ベンチレータ。
【請求項１３】
前記閉ループ流量コントローラは、前記調整因子を使用して調整可能なゲインを調整するように更に構成される、
請求項１２に記載のベンチレータ。
【請求項１４】
前記閉ループ流量コントローラは、前記所望のガス流量を示す入力を受け取るように更に構成される、
請求項１２に記載のベンチレータ。
【請求項１５】
前記閉ループ流量コントローラの調整可能なゲインを調整することは、前記閉ループ流量コントローラの前記モデルからの応答と前記測定されたガス流量との間の差を減少させる、
請求項１２に記載のベンチレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般に、比例流量弁（proportional  flow  valve）の正確な制御のための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気的に制御される比例流量弁の正確な制御は、特に流量弁が経時的に任意の軌道に正確に従うことが期待されるとき、あるいはその軌道が異なる流量範囲にわたって急な加速度を持つときに大きな課題を呈する。典型的な弁特性は、低流量範囲では命令（command）への感度が非常に低く、高流量範囲では非常に高いことである。この感度の差はしばしば数桁に及ぶ可能性があるので、可能な流量の全範囲にわたる比例流量弁の正確な制御は困難である。
【０００３】
正確性及び精度を提供する試みにおいて、比例流量弁の設計者は、弁の出口流量を測定及び分析する弁の位置決め制御へのフィードバックを適用している。弁感度のこのような大きな差によって、通常の閉ループ制御は、それらが動作するように命令される流れの範囲に応じて異なる応答をする傾向がある。したがって、比例流量弁の設計者はしばしば、現在動作している流れの範囲及び弁感度の知識に従って制御ループゲインを変更する。しかしながら、これは、例えば（１）その感度プロファイルを決定する動作に先立って弁を較正するという要件が導入される可能性があること、（２）弁感度プロファイルは、弁の集団全体にわたって大きく異なる可能性があること、（３）弁の上流圧が変化するか又は変わり、これにより弁感度を変化させること、（４）温度変化、弁機械構成部品の磨耗又は弁位置を流量プロファイルに対して変化させる任意の他の妨害的な影響等のような効果によって、較正が行われた後に弁感度が変化する可能性があることを含め、追加の問題をもたらす可能性がある。想定される流量感度の下で閉ループ流量制御ゲイン調整を動作させることは、不十分な応答挙動につながるか、プロファイルが変化する場合に不安定性が悪化する可能性があり、そのため、このようなアプローチでは、ライフサポート等のように流量制御がクリティカルな場合にリスクを提示する可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、当技術分野では、先の弁プロファイル情報を必要とせずに、必要とされる瞬間的なゲイン調整を自動的に決定する、特別な流量弁制御方法のニーズが存在する。さらに、当技術分野では、弁の較正を必要としない、単純で直接的かつ効率的な流量弁制御機構及び方法のニーズが存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は、比例流量弁の正確な制御のための本発明の方法及びシステムに関する。本発明の方法及びシステムは、弁較正のような先の弁プロファイル情報を必要とすることなく、より高い正確性を可能にする。この方法及びシステムは、瞬間的な制御ループゲイン調整を提供する。特に、閉ループ動的応答は、弁の全ての流量範囲にわたって等化され、これにより、全ての入力軌跡についてのより迅速でより正確な追跡を提供する。したがって、本明細書の様々な実施形態及び実装形態は、制御されるシステムのためのモデルが定義され、実際のシステムのダイナミクスを再構築することによって想定されるモデルと実際のシステムとの間の差を最小にするコントローラが体系的に導出される方法及びシステムを対象とする。
【０００６】
一般的に、一態様では、比例弁を制御するための方法が提供される。当該方法は：（i）比例流量弁機構（proportional  flow  valve  system）を提供するステップであって、該機構は、ガス源のための比例流量制御弁、流量センサ（flow  sensor）及び調整可能なゲイン（adjustable  gain）を有する閉ループ流量コントローラと；（ii）閉ループ流量コントローラのモデル及びゲイン制御とを備える適応コントローラとを備える、ステップと；（ii）閉ループ流量コントローラによって、比例流量制御弁を作動させるステップと；（iii）流量センサによって、実際のガス流量を測定するステップと；（iv）閉ループ流量コントローラによって、測定されたガス流量と所望のガス流量との間の差を決定するステップと；（v）決定された差を使用して比例流量制御弁を調整するステップと；（vi）所望のガス流量を使用して、閉ループ流量コントローラのモデルからの応答を開始するステップと；（vii）ゲイン制御及び閉ループ流量コントローラのモデルからの応答を使用して、閉ループ流量コントローラのゲインを決定するステップと；（viii）決定されたゲインを使用して、閉ループ流量コントローラのゲインを調整するステップとを含む。
【０００７】
一実施形態によると、方法は、所望のガス流量を受け取るステップを更に含む。
【０００８】
一実施形態によると、閉ループ流量コントローラの調整可能なゲインを調整するステップは、閉ループ流量コントローラのモデルからの応答と測定されたガス流量との差を減少させる。
【０００９】
一実施形態によると、ガスは酸素である。
【００１０】
一実施形態によると、比例流量弁機構はベンチレータの構成要素である。
【００１１】
一般に、一態様では、比例流量弁機構が提供される。当該機構は：（i）ガス源と；（ii）ガス源からのガス流量を制御するように構成される比例流量弁と；（iii）比例流量弁からのガス流量を測定するように構成される流量センサと；（iv）調整可能なゲインを含む閉ループ流量コントローラであって、該閉ループ流量コントローラは、測定されたガス流量と所望のガス流量との間の差を決定するように構成され、決定された差を使用して比例流量弁を調整するように更に構成される閉ループ流量コントローラと；（v）閉ループ流量コントローラのモデル及びゲイン制御を含む適応コントローラであって、該適応コントローラは、閉ループ流量コントローラのモデルからの応答を決定するように構成され、ゲイン制御、所望のガス流量及び閉ループ流量コントローラのモデルからの応答を使用して、閉ループ流量コントローラについての調整因子（adjustment  factor）を決定するように更に構成される、適応コントローラとを含む。
【００１２】
一実施形態によると、閉ループ流量コントローラは、所望のガス流量を示す入力を受け取るように更に構成される。
【００１３】
一実施形態によると、閉ループ流量コントローラの調整可能なゲインを調整することは、閉ループ流量コントローラのモデルからの応答と測定されたガス流量との間の差を減少させる。
【００１４】
一実施形態によると、比例弁流量機構はベンチレータの構成要素である。
【００１５】
一般に、一態様では、ベンチレータが提供される。当該ベンチレータは：（i）ガス源と；（ii）ガス源からのガス流量を制御するように構成される比例流量弁と；（iii）比例流量弁からのガス流量を測定するように構成される流量センサと；（iv）調整可能なゲインを含む閉ループ流量コントローラであって、該閉ループ流量コントローラは、測定されたガス流量と所望のガス流量との間の差を決定するように構成され、決定された差を使用して比例流量弁を調整するように更に構成される閉ループ流量コントローラと；（v）閉ループ流量コントローラのモデル及びゲイン制御を含む適応コントローラであって、該適応コントローラは、閉ループ流量コントローラのモデルからの応答を決定するように構成され、ゲイン制御、所望のガス流量及び閉ループ流量コントローラのモデルからの応答を使用して、閉ループ流量コントローラについての調整因子を決定するように更に構成される、適応コントローラと；を含む。
【００１６】
上記概念及び以下で更に詳細に説明される更なる概念（そのような概念は相互に矛盾しないものとする）の全ての組合せは、本明細書で開示される本発明の主題の一部であると考えられることを認識されたい。特に、本開示の最後に現れる特許請求に係る主題の全ての組合せは、本明細書で開示される本発明の主題の一部であると考えられる。
【００１７】
本発明のこれら及び他の態様は、以下に説明される実施形態から明らかになり、これらの実施形態との関連で解明されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
図面では、同様の参照文字は一般に異なる図を通して同じ部分を指す。また、図面は必ずしも縮尺通りではなく、代わりに、一般的に本発明の原理を例示することに重点が置かれている。
【００１９】
【図１】一実施形態による、比例流量弁機構を制御するためのモデルの概略図である。
【００２０】
【図２】一実施形態による、比例流量弁機構を制御するためのモデルの概略図である。
【００２１】
【図３】一実施形態による、比例流量弁機構の概略図である。
【００２２】
【図４】一実施形態による、比例流量弁機構を制御するための方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本開示は、比例流量弁機構の制御のための方法及びコントローラの様々な実施形態を説明する。より一般的には、本出願人は、その範囲に沿って命令に対する弁感度に大きな差異があるにもかかわらず、広範囲の流量にわたって比例流量弁を正確に制御する機構を提供することが有益であることを認識し、理解している。そこで、本明細書に説明されるか他の方法で想起される方法は、較正又は他の先の弁プロファイル情報を必要とすることなく、必要とされる瞬間的なゲイン調整を自動的に決定する、特別な流量弁制御を提供する。
【００２４】
一実施形態によれば、方法は、モデル規範形適応制御（「ＭＲＡＣ（Model  Reference  Adaptive  Control）」又はモデル規範形適応系「ＭＲＡＳ（Model  Reference  Adaptive  System）」とも呼ばれる）アプローチに基づく。ＭＲＡＣでは、システムの応答を変更するために更新することができるパラメータを使用して閉ループコントローラを用いてシステムを作成し、システムの出力を規範モデル（reference  model）からの所望の応答と比較する。次いで、制御パラメータが、いずれかの検出された誤差（detected  error）又は分散に基づいて更新される。この場合、最終的な目的は、閉ループコントローラのパラメータがシステムの出力を規範モデルの応答と一致させることである。例えば本明細書で説明される方法及びシステムは、流量弁機構のためのモデルを定義し、実際のシステムダイナミクスを再構成することによってモデルと実際の流量弁機構との間の差を最小にするコントローラが作成される。
【００２５】
以下で説明される方法及びシステムは、救命救急ベンチレータにおける圧縮ガスの正確な流量制御に関連して説明されるが、これらの方法及びシステムは、事実上、比例流量弁を使用する全ての流量制御機構に適用することができ、弁の絞り速度（throttling  speed）は、弁制御の所望の閉ループ帯域幅よりもかなり早い。
【００２６】
図１を参照すると、一実施形態において、ベンチレータ内の比例流量弁機構の制御のためのモデル１００の概要が示されている。このモデルは、閉ループ流量コントローラ１１０及び適応コントローラ１２０を含む。図１に図示されるように、閉ループ流量コントローラ１１０は、ガス源１３０からの流れを制御する比例流量制御弁１４０と、流量センサ１５０と、調整可能なゲイン１８０を有する積分補償器（integral  compensator）を含む。適応コントローラ１２０は、閉ループ流量コントローラのモデル１６０と、ゲインコントロール１７０を含む。
【００２７】
一実施形態によれば、以下で詳細に説明されるように、閉ループ流量コントローラ１１０は、比例流量弁１４０を作動させることによってガス源１３０からのガス流量（gas  flow）を開始する。流量センサ１５０は、比例流量弁１４０の作動によって生成される実際のガス流量を測定する。次いで、閉ループ流量コントローラは、所定の値とすることができる所望のガス流量と、流量センサによって測定されるガス流量との間の差を決定する。次いで、閉ループ流量コントローラは、その差を使用して比例流量弁の制御を調整することができる。
【００２８】
適応コントローラ１２０は、所望の流量値を利用して、閉ループ流量コントローラのモデル１６０からの応答を開始する。例えば適応コントローラは、所望の流量を閉ループ流量コントローラのモデルに供給し、閉ループ流量コントローラのモデルの応答は、流量センサ１５０によって測定される実際のガス流量とともにゲイン制御１７０に提供される。ゲイン制御は、モデルの応答と実際のガス流量を利用してゲインを決定する。このゲインを利用して、閉ループ流量コントローラのゲインを調整する。
【００２９】
図２を参照すると、一実施形態では、比例流量弁機構の制御のためのモデル２００が示されている。モデル２００は図１のモデル１００と同様であるが、追加の詳細を提供する。モデル２００は、所望の閉ループ流量制御システムの単純な線形動的モデル２１０を含む。モデル２００は、制御ループゲインのリアルタイム調整による動的モデルと実際の流量制御ループとの間の差を最小にする調整機構も含む。この方法はまた、グローバルな安定性を提供するために、ゲイン又はリーケージ（leakage）の速度、ゲインの範囲を制限する１つ以上の制約又はリミッタも含むことができる。
【００３０】
図２のモデルによると、コントローラ及びシステムの目的は、異なる流れにおける流量弁感度（K）の変化にかかわらず、実際の流量出力Q（k）（又は同等に「プラント応答（‘plant’  response）」yp）に流れ軌道（flow  trajectory）Qtraj（k）を厳密に追跡させることである。一実施形態によれば、システム応答（yp）はモデル（ym又はymodel（k））の応答と比較され、追跡誤差（e）を提供する：
e＝yp−ym                          （式１）
システムは、その情報を使用して、追跡誤差が最小になるようにリアルタイムでθ等の１つ以上の調整可能なパラメータを変更する。一実施形態によれば、モデルは、補償器としての積分器及び30Hzの閉ループカットオフ周波数を用いて閉ループフィードバックにおける弁の構造（任意の所与の流れで一定のゲインとみなされる）と一致させるために、α＝30Hzの一次ラグ（first  order  lag）として選択される。
【００３１】
図３を参照すると、一実施形態による、比例流量弁によりガス流量を制御するシステム３００が提供される。このシステムは、当技術分野で公知の任意の比例流量弁とすることができる比例流量弁１４０を含む。スクリュータイプの比例流量弁、電磁比例流量弁及び多くの他のタイプの比例流量弁を含め、多くの異なるタイプの比例流量弁が存在する。これらの弁のいずれかがシステム３００において利用されてよい。システムはガス源１３０も含む。ガス源は、周囲の環境空気の圧縮源、酸素タンク、窒素タンク、それらの混合物並びに多種多様な他のガス源のように、利用することができる任意のガス源とすることができる。ガスが人間によって呼吸可能であるという要件はなく、したがって、ガス源は毒性、可燃性又は他のガスである可能性がある。ガス源１３０からのガスは、比例流量弁１４０が少なくとも部分的に開いている場合には、３３０を介してガス源を出て、出口３４０を通って出る。比例流量弁１４０は、ガス源から出るガスの量だけでなく、ガスがガス源から出る速度も制御する。
【００３２】
システムはコントローラ３５０を含む。コントローラ３５０は、他のコントローラの中でも、従来のマイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、システムオンチップ（ＳＯＣ）及び／又はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）である。コントローラは、プロセッサを用いて又は用いることなく実装されてよく、一部の機能を実行する専用のハードウェアと、他の機能を実行するプロセッサ（例えば１つ以上のプログラムされたマイクロプロセッサ及び関連する回路）の組合せとして実装されてもよい。コントローラ３５０は、任意の必要なメモリ、電源、Ｉ／Ｏデバイス、制御回路、及び／又は本明細書に説明されるか他の方法で想起される実施形態によるシステムの動作に必要な他のデバイスと結合されるか、他の方法で通信することができる。例えば様々な実装形態において、プロセッサ又はコントローラは、１つ以上の記憶媒体に関連付けられてよい。一部の実装において、記憶媒体は、１つ以上のプロセッサ及び／又はコントローラ上で実行されると、本明細書で説明される機能の少なくとも一部を実行する、１つ以上のプログラムで符号化されてもよい。様々な記憶媒体は、プロセッサ又はコントローラ内に固定されてもよく、あるいは本明細書で説明される本発明の様々な態様を実施するよう、その中に記憶された１つ以上のプログラムをプロセッサ又はコントローラにロードすることができるように移植可能であってもよい。「プログラム」又は「コンピュータプログラム」という用語は、本明細書では、１つ以上のプロセッサ又はコントローラをプログラムするために使用することができる任意のタイプのコンピュータコード（例えばソフトウェア又はマイクロコード）を指すように一般的な意味で使用される。
【００３３】
コントローラ３５０は、図３では、比例流量弁１４０とは別個であるように図示されているが、他の実施形態によれば、コントローラは、弁の外部に取り付けられてもよく、弁の一体的な構成要素とすることもでき、弁から完全に離れていてもよく、弁との何らかの他の物理的関係を有することができる。コントローラが弁から離れている場合、コントローラと弁との間で無線通信を行うことができる。
【００３４】
コントローラ３５０は、比例流量弁１４０を制御し、したがって、ガス源から出るガスの量並びにガスの量がガス源から出る速度を制御する。コントローラを、ユーザ等の外部ソースによって指示することができ、かつ／又はプログラミングによって指示することができる。例えばユーザは、ボタンを押すか、流れが増加しなければならないことを示す何らかの他の入力を与えることができ、コントローラはその信号を受け取って、流量を増加させるために比例流量弁に信号を提供する。あるいは、コントローラ又は関連するプロセッサは、特定の時間、応答又は他の入力に従って流量を減少又は増加させるようにプログラムされるか、構成される。
【００３５】
システム３００は流量センサ１５０も含む。流量センサは、比例流量弁１４０を出た後のガスの流量を検出する。したがって、流量センサは比例弁の有効性の測定値である。言い換えると、流量センサの測定値に基づいて、比例流量弁が所望の流量にどれだけ効果的かつ正確に到達したかについての計算を得ることができる。本明細書で詳細に説明されるように、流量センサ１５０からのフィードバックはコントローラ３５０によって使用され、所望の流量に到達するように比例流量弁１４０を調整する。これを行うために、流量センサ１５０によって測定されたガス流（ypである）は、ユーザによって又はプログラミングによってコントローラ３５０に指示されていた所望の出力（ymである）と比較される。ymとypの差は誤差（e）である。コントローラは、eの値を使用して、追跡誤差が最小になるように、比例流量弁及びモデルのθ等の１つ以上の調整可能なパラメータをリアルタイムで変更する。言い換えれば、適応コントローラは、eを利用して閉ループ流量コントローラの積分ゲインに対する変更を行い、これが比例流量弁を調整する。閉ループ制御の流量応答が速すぎるか遅すぎる場合、適応制御はプラントの閉ループ応答がモデルの応答と一致するように積分ゲインを調整する。
【００３６】
一実施形態によれば、比例流量弁機構３００は、図３に図示されるように、ベンチレータ３８０の構成要素である。したがって、出力部３４０は、患者につながる管類（tubing）とすることができる。システムのコントローラは、ベンチレータの構成要素とすることができ、あるいは別の構成要素とすることもできる。
【００３７】
図４を参照すると、一実施形態において、比例流量弁機構を制御するための方法４００のフローチャートが図示されている。ステップ４１０において比例流量弁機構１００が提供される。比例流量弁機構は、本明細書で説明されるか他の方法で想起される実施形態のいずれかとすることができる。例えば比例流量弁機構１００は、ガス源１３０のための比例流量制御弁１４０と、流量センサ１５０と、調整可能ゲイン１８０を有する積分補償器とを有する閉ループ流量コントローラ１１０を含む。比例流量弁機構１００は、閉ループ流量コントローラのモデル１６０及びゲイン制御１７０を有する適応コントローラ１２０も含む。比例流量弁機構の多くの他の実施形態も可能である。
【００３８】
方法のステップ４２０において、閉ループ流量コントローラ１１０は、比例流量弁１４０を作動させることによってガス流量を開始する。
【００３９】
方法のステップ４３０において、比例流量弁の作動によって生成される実際のガス流量（yp）は、図１又は図３に図示される流量センサのような流量センサ１５０によって測定される。流量センサは、測定における遅延によって生じる誤差を避けるために、好ましくは比例流量弁に近い。
【００４０】
方法のステップ４４０において、閉ループ流量コントローラは、流量センサ１５０によって測定された実際のガス流量（yp）と所望の流量（ym）を比較し、これによりymとypの差である誤差（e）を得る。所望の流量を、例えばユーザ又はプログラミングによって選択又は提供することができる。例えば方法のステップ４３２において、機構は所望のガス流量を受け取る。
【００４１】
ステップ４５０において、閉ループ流量コントローラは、以下でより詳細に説明するように、所望の流量（Qtraj）と実際のガス流量（yp）との間のスケールされた積分差に基づいて比例流量弁を調整する。
【００４２】
方法のステップ４６０において、適応コントローラ１２０は、所望の流量値Qtrajを利用して、閉ループ流量コントローラのモデル１６０から応答ymを開始する。例えば適応コントローラは、所望の流量を閉ループ流量コントローラのモデルに供給して、モデルの応答を得る。
【００４３】
方法のステップ４７０において、ゲインが適応コントローラのゲイン制御によって決定される。例えば閉ループ流量コントローラのモデルの応答ymは、流量センサ１５０によって測定される実際のガス流量ypと一緒にゲイン制御１７０に提供される。ゲイン制御は、モデルの応答、実際の閉ループ流量コントローラのガス流量の応答及び所望の流量軌道を利用して、閉ループ流量コントローラゲインを決定する。
【００４４】
方法のステップ４８０において、閉ループ流量コントローラのゲインは、適応コントローラによって計算されたゲインに従って調整される。
【００４５】
一実施形態によれば、本方法は、以下の変数及び単位のうちの１つ以上を利用する：Q(k)は、lpm単位（in  lpm）での酸素又は空気の弁流量測定値である；Qtraj(k)は、lpm単位での酸素又は空気の流量サーボ機構の軌道（flow  servomechanism  trajectory）である；Itraj(k)は、カウント単位（in  counts）での弁電流の軌跡である；KaQは１／秒（1/sec）単位でのアンチワインドアップ・ゲイン（antiwindup  gain）である；Itraj_maxは、カウント単位での50psigの酸素又は空気の注入口（inlet）における飽和した最大弁流量に対応する弁電流である；Itraj_minは、カウント単位での50psigの酸素又は空気の注入口における飽和した最小弁流量に対応するバルブ電流（又はリフトオフ電流）である；Ki_θ(k)は、カウント／lpm-秒（counts/lpm-sec）単位での自動的に調整可能な積分ゲインである；Ki_θminは、カウント／lpm-秒単位での最小積分ゲインである；Ki_θmaxは、カウント／lpm-秒単位での最大積分ゲインである；ymodel(k)は、lpm単位での規範モデル流量サーボ機構の出力である；yplant(k)は、lpm単位での流量サーボ機構の出力（すなわち、実際の出力）である；e(k)は、lpm単位での規範モデル追跡誤差である；εQ(k)は、lpm単位での流量サーボ機構の誤差である；αは、rad／秒単位での流量サーボ機構ループモデルのポール（pole）である；Isum(k)は、サーボ機構ループ積分器の出力である；Isum_initは、カウント単位でのサーボ機構ループ積分器のリセット及び初期値である；Ireset(k)はコントローラのリセット信号である；Uc_filt(k)は、lpm／秒単位でのフィルタされた流量軌跡である；δは、lpm2／秒2（lpm2/sec2）単位での正規化因子である；γは適応速度ゲイン（adaptation  rate  gain）である；σは適応リーケージゲイン（adaptation  leakage  gain）である；Ki_θeは、カウント／lpm-秒単位でのリーケージ親和性セットポイント（leakage  affinity  set  point）である；そして、Ki_θinitは、カウント／lpm-秒単位での適応ゲイン積分器のリセット及び初期値である。
【００４６】
一実施形態によれば、この方法は、システム、異なる弁及び様々な他のシステムの特定の要件を満足するように値を修正するか又は他の方法で調整することができるが、以下の一定値を採用する。しかしながら、一実施形態によれば、α＝50；δ＝0.00005；γ=3000；KaQ＝10；Ki_θe＝8000；Ki_θinit＝10,000；Ki_θmin＝8000；Ki_θmax＝70000；Isum_init＝Itraj_minである。本方法の一実施形態によれば、Itraj_max及びItraj_minは双方とも、システムサービス弁較正手順の間、各弁（空気とO2の両方）について決定される。
【００４７】
本方法の一実施形態によれば、閉ループ伝達関数（式２）及び方法のモデル（式３）を含め、以下の式を用いて機構を導出する：
【数１】
2018528550.tif 000003
【００４８】
一実施形態によれば、追跡誤差を最小にするために、コスト関数Jが、調整可能パラメータに応じて選択される。コスト関数は、追跡誤差の絶対値として選択され、したがってJ≧0である：
J(θ)＝｜e(θ)｜                              （式５）
【００４９】
一実施形態によると、時間に対する調整可能ゲインの変化は、調整可能なゲインに対するコストの変化に比例するように選択される。さらに、J≧0なので、比例定数を負になるよう選択することによって、この関係を安定させることができ、したがって、γ＞0である。ガンマ（γ）は、適応が制御法則（control  law）の最終合成で収束する速度を制御する：
【数２】
2018528550.tif 000004
【００５０】
一実施形態によれば、制御法則は以下の通りである。なお、「sgn」は符号関数（signum  function）である。この式は、Kθ〜αが定常状態（steady  state）にあると仮定しているが、これはアルゴリズムが収束するようなケースではない。実際、この形式の制御法則は安定していない：
【数３】
2018528550.tif 000005
【００５１】
したがって、安定性のために、フィルタリングされた入力の正規化が必要とされる。これは、正規化ではなくフィルタリングされた入力のサイズで効果的に分割し、その結果、ターゲットの小さな変化に対しては大きな寄与因数（factor）をもたらし、大きな変化にはより小さな因数をもたらす。特に、δはゼロによる除算を防ぐ小さな因数に過ぎないが、その選択は小さなufについてのゲイン展開（gain  evolution）に影響を与える：  
【数４】
2018528550.tif 000006
【００５２】
この結果、これらの可変出力速度間の急激な変化を含む様々な出力速度で比例流量弁機構を効果的に制御する安定したモデルが得られる。
【００５３】
圧縮ガス弁流量コントローラ（Compressed  Gas  Valve  Flow  Controller）
【００５４】
一実施形態によれば、規範モデル出力は、下記の式で以下に定義される一般化離散時間一次フィルタを使用して更新される。
x(k)＝Qtraj(k)                                （式１３）
y(k)＝ymodel(k)                                （式１４）
ここで、a＝0.0；b＝a；c＝1.0；d＝a；及びDT＝0.001秒である。
【００５５】
一次リードラグフィルタ（first  order  lead  lag  filter）は、連続時間伝達関数でa、b、c及びdによって表されるようにフィルタパラメータの適切な選択により、一般化フィルタ（ローパス、ハイパス、リードラグ、ＰＩフィルタ等）として機能することができる。複数のフィルタをカスケード接続すること（cascading）は更に、バンドパス及び帯域ストップフィルタ構成を提供することができる。離散時間フィルタの導出は連続時間伝達関数で開始する。
【数５】
2018528550.tif 000007
ここで、Xは入力であり、Ｙは出力である。「s」は、複合周波数σ＋jωを表す演算子であり、このフィルタについて、ポールはd／c  rad／秒であり、ゼロはb／a  rad／秒であることに留意されたい。このフィルタのDCゲインはa／cである。
【００５６】
連続時間から離散時間（z-領域）へのマッピングは、双線形変換及び以下の演算子の代入を使用して達成される：
【数６】
2018528550.tif 000008
【００５７】
この代入はｚ変換をもたらし、ｚ変換は、z-1が遅延演算子及びz-1F(z)→f(k-1)であるので、フィルタについての異なる式を得るための手段を提供する。フィルタは次のようになる：
【数７】
2018528550.tif 000009
ここで、x(k)はフィルタ入力であり、y(k)はフィルタ出力であり、α、β、γは、連続時間フィルタ係数a、b、c、d及び離散時間サンプル間隔ΔTによって決定される離散時間フィルタ係数である。
【００５８】
一実施形態によると、次のステップで、流量サーボ機構誤差が次の式を使用して更新される：
εQ(k)＝Qtraj(k)−Q(k)                            （式１９）
【００５９】
一実施形態によると、次のステップで、規範モデル追跡誤差が次の式を使用して更新される：
e(k)＝ymodel(k)−Q(k)                            （式２０）
【００６０】
実施形態によると、次のステップで、フィルタされた流量軌道が、以下に定義される二次バンドパスフィルタを使用して更新され、ここでx(k)＝Qtraj(k)；y(k)＝Uc_filt(k)；ωlow＝ωhigh＝α；及びΔT＝0.001秒である。
【００６１】
バンドパスフィルタは、２つの-3dBのカットオフ周波数の間で単一のゲインを有する信号を通過させる：w＞whigh及びw＜ wlowについてωlowとωhigh及び減衰信号である。フィルタは、一連の２つのフィルタ段階をカスケード接続すること、すなわちハイパスフィルタとローパスフィルタをカスケード接続することによって実現される。フィルタはカットオフ周波数とサンプル間隔ΔTを設計入力として使用する。フィルタ段階の各々は、一般化されたフィルタを使用して実現することができる。
【００６２】
ハイパスフィルタは第１段階として機能し、低周波カットオフを提供し、ローパスは第２段階で高周波カットオフを提供する。一般化されたリードラグを使用してハイパスフィルタを実現するために、リードラグフィルタのゼロが、ゼロになるように選択され、ポールはωlowになるように選択される。一般化されたリードラグを使用してローパスフィルタを実現するために、リードラグフィルタゼロは無限大にあり（at  infinite）、ポールはωhighにある。したがって、所望のバンドパスフィルタを実現するためには、以下が適用され、最初に、バンドパスフィルタ入力をu(n)、出力をv(n)とする。
【００６３】
第１段階（ハイパスとして一般化されたフィルタ）：ωlowでのカットオフを伴うハイパスについて、a＝1/ωlow；b＝0；c＝1/ωlow；及びd＝1である。そして、下記を設定する：
【数８】
2018528550.tif 000010
加えて、この段階について一般化されたフィルタ入力x(n)をバンドパスフィルタ入力u(n)に設定し、この段階について一般化されたフィルタ出力y(n)を第２段階の入力に接続する。
【００６４】
第２段階（ローパスとして一般化されたフィルタ）：ωhighでのカットオフを伴うハイパスについて、a＝0；b＝1；c＝1/ωhigh；及びd＝1である。そして、下記を設定する：
【数９】
2018528550.tif 000011
加えて、この段階について一般化されたフィルタ入力x(n)を第１段階の出力に接続し、この段階について一般化されたフィルタ出力y(n)はバンドパスフィルタ出力v(n)である。
【００６５】
一実施形態によると、次のステップで、正規化されたフィルタされた流量軌道Uc_norm(k)が次の式を使用して更新される：
【数１０】
2018528550.tif 000012
【００６６】
一実施形態によると、次のステップで、ゲイン積分器入力のリーケージコンポーネントθleak(k)が次の式を使用して更新される：
θleak(k)＝｜e(k)｜σ(Ki_θe−Ki_θ(k))                （式２２）
【００６７】
一実施形態によると、次のステップで、ゲイン積分器の残りのコンポーネントθ(k)が次の式を使用して更新される：
θ(k)＝−γ・sgn(e(k))・Uc_norm(k)                        （式２３）
ここで、符号関数sgn(x)は次のように定義される：
【数１１】
2018528550.tif 000013
【００６８】
一実施形態によると、次のステップで、積分ゲインが更新される。Ireset(k)がクリア(0)である場合、次いで次の式が利用される：
Ki_θ(k)＝min(Ki_θmax，max(Ki-θmin，(ΔT(θ(k-1)＋θleak(k-1)＋Kiθ(k-1)))    （式２５）
そうでない場合は、次の式が利用される：
Ki_θ(k)＝Ki_θinit                                      （式２６）
初期条件は、
Ki_θ(0)＝Ki_θinit                                      （式２７）
θ(0)＝θleak(0)＝0                                      （式２８）
【００６９】
一実施形態によると、次のステップで、流量サーボ機構積分器の出力が更新される。Ireset(k)がクリア(0)である場合、次いで次の式が利用される：
Isum(k)＝ΔTKi_θ(k-1)εQ(k-1)＋KαQΔT(Itraj(k-1)−Isum(k-1))  ＋Isum(k-1)    （式２９）
そうでない場合は、次の式が利用される：
Isum(k)＝Isum_init                                      （式３０）
初期条件は、
εQ(0)＝0                                            （式３１）
Itraj(0)＝Isum_init                                      （式３２）
【００７０】
一実施形態によると、次のステップで、流量サーボ機構積分器の出力が、以下の式を使用して更新される：
Itraj(k)＝min(Itraj_max，max(Itraj_min，Isum(k))
【００７１】
本明細書において定義され、使用される全ての定義は、辞書定義、参照により組み込まれる文献内の定義及び／又は定義される用語の通常の意味を制御するように理解されるべきである。
【００７２】
本明細書及び特許請求の範囲で使用されるとき、不定冠詞「a」及び「an」は、明確に反対の指示がない限り、「少なくとも１つ」を意味するように理解されるべきである。
【００７３】
本明細書及び特許請求の範囲において使用されるとき、「及び／又は」というフレーズは、そのように結合される要素の「どちらか」又は「双方」、すなわち、ある場合には結合的に存在し、他の場合には分離して存在する要素を意味するように理解されるべきである。「及び／又は」と列挙された複数の要素は、同じように、すなわち、そのように結合された要素の「１つ又は複数」と解釈されるべきである。具体的に特定される要素と関連するかどうかにかかわらず、「及び／又は」という句によって具体的に特定される要素以外の他の要素が任意選択で存在してもよい。
【００７４】
本明細書及び特許請求の範囲において使用されるとき、「又は」は、上記で定義した「及び／又は」と同じ意味を有するように理解されるべきである。例えばリスト内の項目を分離するとき、「又は」や「及び／又は」は包括的であるように解釈されるべきである。すなわち、複数の要素又は要素のリストのうちの少なくとも１つだけでなく、２つ以上を含むことも包含し、任意選択で列挙されていない追加の項目も包含する。「〜のうちの１つのみ」や「〜のうちの正確に１つ」、あるいは特許請求の範囲において使用されるときの「〜から成る」のように、そうでないことが明確に示される用語の場合のみ、複数の要素又は要素のリストのうちの正確に１つの要素のみの包含を指すことになる。一般的に、本明細書で使用される「又は」という用語は単に、「いずれか」、「〜のうちの１つ」、「〜のうちの１つのみ」、「〜のうちの正確に１つ」等のような排他性の用語に先行されるときに、排他的な二者択一（すなわち、「１つ又は他方であるが双方でない」）を示すように解釈されるものとする。
【００７５】
本明細書及び特許請求の範囲において使用されるように、１つ以上の要素のリストに関連する「少なくとも１つの」というフレーズは、要素リスト内の要素のうちのいずれか１つ以上から選択される少なくとも１つの要素を意味するが、必ずしもリスト内に具体的に列挙される各々の全ての要素のうちの少なくとも１つを含む必要はなく、要素リスト内の要素の任意に組合せを除外しないように理解されるべきである。この定義は、具体的に特定される要素と関連するかどうかにかかわらず、「少なくとも１つの」というフレーズが指し示す要素のリスト内で具体的に特定される要素以外の要素が任意選択で存在し得ることも許容する。
【００７６】
２つ以上のステップ又は動作を含む特許請求に係るいずれかの方法において、そうでないことが明確に示されていない限り、方法のステップ又は動作の順序は、必ずしも記載される方法のステップ又は動作の順序に限定されないことも理解されたい。
【００７７】
特許請求の範囲だけなく上記明細書において、「備える（comprising）」、「含む（including）」、「担持する（carrying）」、「有する（having）」、「含有する（containing）」、「関与する（involving）」、「保持する（holding）」、「から構成される（composed  of）」等のような全ての移行句は、オープンエンドであるように、すなわち、それらを含むが限定されないことを意味するように理解されるべきである。「から成る（consisting  of）」及び「本質的に〜から成る」という移行句だけが、米国特許商標庁のセクション2111.03の特許審査手続書に記載されているように、それぞれクローズ又はセミクローズの移行句であるものとする。
【００７８】
いくつかの本発明の実施形態を本明細書に説明及び図示したが、当業者は、その機能を実行し、かつ／又は結果及び／又は本明細書で説明される利点の１つ以上を得るための様々な他の手段及び／又は構造を容易に想起し、そのような変形及び／又は修正の各々は、本明細書で説明される本発明の実施形態の範囲内にあるとみなされる。より一般的には、当業者は、本明細書に説明される全てのパラメータ、寸法、材料及び構成が例示であるように意図され、実際のパラメータ、寸法、材料及び／又は構成は、本発明の教示が使用される特定の用途に依存することになることを容易に認識するであろう。当業者は、慣例的な実験を使用するだけで、本明細書で説明される具体的な本発明の実施形態に対する多くの均等物を認識するか、確認することができるであろう。したがって、前述の実施形態は単なる例示として提示されており、添付の特許請求の範囲及び均等の範囲内で、本発明の実施形態は、具体的に説明及び特許請求される以外の方法で実施されてよいことが理解されよう。本開示の本発明の実施形態は、本明細書で説明される各々の特徴、システム、物品、材料、キット及び／又は方法を対象とする。加えて、２つ以上のそのような特徴、システム、物品、キット及び／又は方法が相互に矛盾しない場合、２つ以上のそのような特徴、システム、物品、キット及び／又は方法の任意の組合せが、本発明の範囲内に含まれる。
【図１】
2018528550.tif 000014
【図２】
2018528550.tif 000015
【図３】
2018528550.tif 000016
【図４】
2018528550.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成30年3月29日(2018.3.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
比例流量制御弁を制御するための方法であって、当該方法は：
比例流量制御弁機構を提供するステップであって、該機構は：（i）比例流量制御弁、流量センサ及び調整可能なゲインを有する閉ループ流量コントローラと；（ii）前記閉ループ流量コントローラのモデル及びゲイン制御とを備える適応コントローラとを備え、前記閉ループ流量コントローラのモデルは、低周波数カットオフを提供するように構成されるハイパスフィルタと、高周波数カットオフを提供するように構成される一連のローパスフィルタとを備える、ステップと、
前記閉ループ流量コントローラによって、前記比例流量制御弁を作動させるステップと、
前記流量センサによって、実際のガス流量を測定するステップと、
前記閉ループ流量コントローラによって、前記測定されたガス流量と所望のガス流量との間の差を決定するステップと、
前記決定された差を使用して前記比例流量制御弁を調整するステップと、
前記所望のガス流量を使用して、前記閉ループ流量コントローラの前記モデルからの応答を開始するステップと、
前記実際のガス流量、前記所望のガス流量及び前記閉ループ流量コントローラの前記モデルからの応答を使用して、前記閉ループ流量コントローラのゲインを決定するステップと、
前記決定されたゲインを使用して、前記閉ループ流量コントローラの前記調整可能なゲインを調整するステップと、
を備える、方法。
【請求項２】
所望のガス流量を受け取るステップ
を更に備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記閉ループ流量コントローラの前記調整可能なゲインを調整するステップは、前記閉ループ流量コントローラの前記モデルからの前記応答と前記測定されたガス流量との差を減少させる、
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記比例流量制御弁機構はベンチレータの構成要素である、
請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記のガスは酸素である、
請求項１に記載の方法。
【請求項６】
比例流量制御弁機構であって、当該機構は：
ガス源と；
前記ガス源からのガス流量を制御するように構成される比例流量制御弁と；
前記比例流量制御弁からのガス流量を測定するように構成される流量センサと；
調整可能なゲインを備える閉ループ流量コントローラであって、該閉ループ流量コントローラは、測定されたガス流量と所望のガス流量との間の差を決定するように構成され、前記決定された差を使用して前記比例流量制御弁を調整するように更に構成される閉ループ流量コントローラと；
前記閉ループ流量コントローラのモデル及びゲイン制御を備える適応コントローラであって、前記閉ループ流量コントローラのモデルは、低周波数カットオフを提供するように構成されるハイパスフィルタと、高周波数カットオフを提供するように構成される一連のローパスフィルタとを備え、該適応コントローラは、前記閉ループ流量コントローラの前記モデルからの応答を決定するように構成され、前記ゲイン制御、前記所望のガス流量及び前記閉ループ流量コントローラの前記モデルからの応答を使用して、前記閉ループ流量コントローラについての調整因子を決定するように更に構成される、適応コントローラと；
を備える、比例流量制御弁機構。
【請求項７】
前記閉ループ流量コントローラは、前記調整因子を使用して調整可能なゲインを調整するように更に構成される、
請求項６に記載の比例流量制御弁機構。
【請求項８】
前記閉ループ流量コントローラは、前記所望のガス流量を示す入力を受け取るように更に構成される、
請求項６に記載の比例流量制御弁機構。
【請求項９】
前記閉ループ流量コントローラの調整可能なゲインを調整することは、前記閉ループ流量コントローラの前記モデルからの応答と前記測定されたガス流量との間の差を減少させる、
請求項６に記載の比例流量制御弁機構。
【請求項１０】
前記のガスは酸素である、
請求項６に記載の比例流量制御弁機構。
【請求項１１】
比例弁機構はベンチレータの構成要素である、
請求項６に記載の比例流量制御弁機構。
【請求項１２】
ベンチレータであって、当該ベンチレータは：
ガス源と；
前記ガス源からのガス流量を制御するように構成される比例流量制御弁と；
前記比例流量制御弁からのガス流量を測定するように構成される流量センサと；
調整可能なゲインを備える閉ループ流量コントローラであって、該閉ループ流量コントローラは、測定されたガス流量と所望のガス流量との間の差を決定するように構成され、前記決定された差を使用して前記比例流量制御弁を調整するように更に構成される閉ループ流量コントローラと；
前記閉ループ流量コントローラのモデル及びゲイン制御を備える適応コントローラであって、前記閉ループ流量コントローラのモデルは、低周波数カットオフを提供するように構成されるハイパスフィルタと、高周波数カットオフを提供するように構成される一連のローパスフィルタとを備え、該適応コントローラは、前記閉ループ流量コントローラの前記モデルからの応答を決定するように構成され、前記ゲイン制御、前記所望のガス流量及び前記閉ループ流量コントローラの前記モデルからの応答を使用して、前記閉ループ流量コントローラについての調整因子を決定するように更に構成される、適応コントローラと；
を備える、ベンチレータ。
【請求項１３】
前記閉ループ流量コントローラは、前記調整因子を使用して調整可能なゲインを調整するように更に構成される、
請求項１２に記載のベンチレータ。
【請求項１４】
前記閉ループ流量コントローラは、前記所望のガス流量を示す入力を受け取るように更に構成される、
請求項１２に記載のベンチレータ。
【請求項１５】
前記閉ループ流量コントローラの調整可能なゲインを調整することは、前記閉ループ流量コントローラの前記モデルからの応答と前記測定されたガス流量との間の差を減少させる、
請求項１２に記載のベンチレータ。
【国際調査報告】
2018528550.tif 000018
2018528550.tif 000019
2018528550.tif 000020