Синтез алгоритмов управления электроприводом медицинской системы аспирации

УДК 615.47:617-089

СИНТЕЗ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ МЕДИЦИНСКОЙ СИСТЕМЫ АСПИРАЦИИ

А.И. Зайцев, Е.А. Романова

В статье рассматривается синтез алгоритмов управления электроприводом медицинской системы аспирации. Приводятся результаты исследований динамики САР, полученные в ходе разработки алгоритмов. Предложены новые алгоритмические решения, учитывающие специфику системы аспирации, с описанием достигнутого технического эффекта

Ключевые слова: система аспирации, электропривод, алгоритмы управления

Медицинские системы аспирации входят в число необходимых приборов медицинской техники, и они предназначены для отсасывания биологической жидкости, активного дренирования ран и полостей.

На основе анализа современных тенденций развития систем аспирации, и консультаций с ведущими специалистами медицинских учреждений, была спроектирована функциональная схема системы аспирации, отражающая основной принцип ее работы. С помощью клавиатуры, расположенной на лицевой панели системного модуля оператор набирает заданное значение вакуума, требуемое по медицинским показателям. Микроконтроллер (МК), расположенный на панели микроконтроллерного управления в соответствии с алгоритмическим и программным обеспечениями на основе заданных параметров работы и величины вакуума, поступающей с датчика разрежения (ВР) и величины тока, поступающего с информационного канала тока (ИКТ), в реальном времени вычисляет управляющее воздействие, которое формируется в виде ШИМ-сигнала. Сигнал управления отрабатывается усилителем мощности (УМ) на основе транзисторного ключа на МОП- структурах с релейной системой стабилизации максимального тока. Такое построение (УМ) позволяет снизить потери, а значит отказаться от объемных радиаторов, и осуществить защиту от перегрузки по току. Исполнительный двигатель приводит в действие вакуумный насос, который создает разрежение воздуха в емкости контейнера-сборника. Образовавшийся вакуум втягивает аспирируемую жидкость из полости пациента. На цифровом индикаторе, расположенном на лицевой панели отображает-

Зайцев Александр Иванович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: ai_zaicev@mail.ru Романова Екатерина Андреевна - ЗАО «НИИ МЕ-ХАНОТРОНИКИ-АЛЬФА-НЦ», аспирант ВГТУ, e-mail: kate_rome@mail.ru

ся текущая величина вакуума; при этом динамическую индикацию осуществляет МК. Регулятор, также реализованный на МК, поддерживает эту величину на заданном уровне, благодаря петле главной обратной связи по ВР. Защита от переполнения контейнера-сборника, а значит и от попадания жидкости в насос, осуществляется с помощью сигнала обратной связи, вырабатываемого чувствительным элементом системы защиты от переполнения.

При разработке алгоритмического обеспечения цифрового управления электропривода аспирационной системы была принята концепция модульного построения алгоритмов, позволяющая оптимизировать задачу их синтеза и дальнейшего программного воплощения. Были выделены следующие основные алгоритмические модули: BASIS - базовый модуль системы аспирации; DIAGN - модуль самодиагностики (при включении питания); KALIBR - модуль автоматической калибровки информационного канала; KLAV - модуль обработки сигнала клавиатуры (цикл 10 мс); REG VAC - модуль системы автоматического регулирования разрежения (вакуума), (цикл 1 мс); PROTEC - модуль системы защит (защиты по переполнению, перегрузке, от неправильных действий оператора); SVET - модуль световой динамической индикации (цикл 100 Гц); ZVUC - модуль звуковой индикации (частота звукового сигнала 3 кГц); TAIM - модуль таймера (время работы / паузы 0-20 мин); PC - модуль связи с ПК

На рис.1 приведена обобщенная блок-схема алгоритмического модуля системы автоматического регулирования разрежения, ориентированного на микроконтроллерную реализацию (REG VAC) - части разработанного алгоритмического обеспечения прибора, где применены следующие обозначения: PZN - заданное разрежение в n-ный такт; PN, PN1 - разрежение по информационному каналу в пи n-1 такт; IDVN - ток силовой части в п-ный такт; EN -

ошибка по разрежению в п-ный такт; ЭРК -первая разность по разрежению в п-такт; 8РК, 8РК1 - сумма по ошибке в канале регулирования в п и п-1 такт; иЕК - составляющая управляющего воздействия от ошибки в п-ный такт; иЭК - составляющая управляющего воздействия от первой разности в п-ный такт; и1К - составляющая управляющего воздействия от тока в п-ный такт; и8К - интегральная составляющая управляющего воздействия в п-ный такт; иК - управляющее воздействие в п-ный такт; N1 - величина ограничения управляющего воздействия; N2 - переменная, определяющая «долю интеграла» в управлении.

НАЧАЛО

t

PZN, PN, IDVN +

EN = PZN - PN i

UEN = KI EN

I

DPN = PN PNI *

UDPN = КЗ DPN f

U1N - K4 IDVN

UN = UEN - UDPN + UIN

Рис.1. Блок-схема алгоритмического модуля REG

VAC

Алгоритм САР разрежения синтезирован с использованием разностных уравнений полученных в ходе проведения исследований принципов автоматического управления; при этом выражение для управляющего воздействия имеет вид:

U(n) =c кад (n)-Poc(n)\ +%2F\\S(n-1) +Рза1П)-Poc(n)}+

+C3 \Poc(n) -Poc(n-1)\+C4 F2{l(n)}

где и(п) - управляющее воздействие в п-ный такт; Рзад (п) - задающее воздействие в п-ный такт; Рос (п), Рос (п-1) - сигнал о разрежении по цепи главной обратной связи в п и п-1 такты; 8(п-1) - сумма по ошибке в канале регулирования в п-1 такт; Ра{*}- нелинейная функция; р2(1(п)} - ток в силовой цепи в п-ный такт, считанный с нелинейного чувствительного элемента; Х1, Х2, Хз, Х4 - постоянные коэффициенты.

В процессе синтеза алгоритмов управления проведены исследования динамики САР аспирационной системы и влияния на динамические характеристики вариаций параметров; при этом были использованы разработанные структурные схемы, описывающие динамические процессы объектов управления. В качестве примера ниже приведены результаты моделирования. Отсасываемый аспиратором биологический секрет не является по природе своей однородной жидкостью. В процессе работы секрет может изменять свою вязкость, плотность, в нем могут находиться более плотные частицы экссудата и т.д. В модель введен коэффициент К, позволяющим учесть характер жидкости. Этот коэффициент в зависимости от своего значения влияет на время переходного процесса при установлении разрежения; чем больше К, тем меньше время переходного процесса [1, 2].

На рис. 2 представлены процессы выхода уровня разрежения на заданную величину 40 кПа при различных значениях К. Модель, позволяет менять значение коэффициента К случайным образом, что характерно для реального процесса аспирации [з].

4

1 О

Время, с

Рис. 2. График процесса выхода уровня разрежения на заданную величину 40 кПа при различных значениях К

На рис. з изображен график отработки уровня разрежения 40 кПа при изменении значения коэффициента К случайным образом от 0,1 до 1,26. Коэффициент К = 0 соответствует случаю, когда аспиратор работает вхолостую, т.е. закачивает в контейнер-сборник не жидкость, а воздух, и уровень разрежения стремится к 0. Из рисунка видно, что при изменении

коэффициента К от 0,1 до 1,26 система поддерживает требуемый уровень разрежения 40 кПа с погрешностью стабилизации 5 %, что удовлетворяет техническим требованиям.

Рис. 3. График отработки уровня разрежения 40 кПа при изменении значения коэффициента К от 0,1 до 1,26

Новые разработанные алгоритмы управления получены с учетом специфики функциональных элементов медицинских аспираторов как объекта САР и при рассмотрении взаимодействия оператора с работающим аспиратором как системы «человек-прибор».

При малых расходах воздуха набранное насосом разрежение снижается медленно (отсутствует аналог динамического торможения в электроприводе), что приводит к большим забросам разрежения при традиционных способах регулирования. Таким образом, в алгоритмический модуль REG VAC была введена гибкая интегральная составляющая в закон регулирования в виде найденной в ходе исследований нелинейной функции F1{-}. Это позволило достигнуть следующий технический эффект -практическое отсутствие перерегулирования при отработке больших и малых ступенчатых воздействий; высокое быстродействие; статическая ошибка при стабилизации заданного разрежения ±1 при изменении расхода, напряжения, питания, температуры.

Учитывая нелинейный характер момента нагрузки на валу исполнительного двигателя, также была введена положительная обратная связь по току в виде найденной в ходе исследований нелинейной функции F2 {•}. Это улучшило плавность работы насоса, уменьшило пульсации величины разрежения, снизило шум.

В связи с возможностью оператора «забыть» подключить электронную систему защиты контейнера-сборника от переполнения, что может повредить воздушный насос аспираци-онной системы, в алгоритмический блок PROTEC введена идентификация признаков подключения системы защиты, блокировка работы насоса, включение световой и звуковой индикации при их отсутствии. Также введена идентификация признаков, приводящих к обрыву обратной связи, что позволило увеличить безопасность использования прибора в случае ряда отказов информационного канала обратной связи.

Разработано новое алгоритмическое решение, отраженное в модуле KALIBR, которое обеспечивает автоматическую калибровку датчика разрежения с формированием задания начального смещения и крутизны его характеристики.

Таким образом, синтезированные алгоритмы управления позволяют в дальнейшем реализовать программное обеспечение аспира-ционной системы с современным уровнем эксплуатационно-технических показателей.

Литература

1. Иринг Ю. Проектирование гидравлических и пневматических систем/Пер. со словац. Д.К. Рапопорта. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1983. 363 с.

2. Теория пневмо- и гидро- привода/ Под. ред. И.И. Артоболевского. М.: Наука, 1969. с.

3.Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. Питер ДМК Пресс, 2008. 288 с.

Воронежский государственный технический университет ЗАО «НИИ МЕХАНОТРОНИКИ-АЛЬФА-НЦ», г. Воронеж

SYNTHESIS OF ELECTRIC DRIVE CONTROL ALGORITHMS FOR MEDICAL SYSTEM

ASPIRATION

A.I. Zaicev, E.A. Romanova

The article deals with the synthesis of control algorithms for electric drive medical systems of aspiration. Presents the results of researches of dynamics SAR, obtained during the development of algorithms. Offered new algorithmic solutions, considering specificity of the aspiration system, with a description effect of technical reached

Key words: aspiration system, control algorithms, electric drive