Использование эффективных систем позиционного регулирования для задач медицинской техники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Использование эффективных систем позиционного регулирования для задач медицинской техники

С.В. Фролов1, К.С. Савинова2,

А.Ю. Куликов3, И.А. Суконкин4

Аннотация

Актуальность и цели. Рассматривается применение позиционного регулирования в медицинской технике. Показано, что методы позиционного регулирования используются в системах управления суховоздушных стерилизаторов, для обработки медицинских инструментов, в инкубаторах для недоношенных новорожденных, в системах поддержания заданной концентрации кислорода в аппаратах экстракорпоральной мембранной оксигенации, в биохимических анализаторах, в наркозно-дыхательных аппаратах. Материалы и методы. В работе проведен сравнительный анализ различных систем двухпозиционного регулирования. На основе имитационных исследований выявлены эффективные варианты усовершенствованных систем. Несмотря на свои неоспоримые достоинства (низкая стоимость, удобство использования, простота аппаратной реализации), двухпозиционное регулирование имеет существенный недостаток - значительная амплитуда колебаний управляемой величины относительно задания. Для устранения этого недостатка были предложены усовершенствованные методы двухпозиционного регулирования (двухпозиционное регулирование с дополнительным воздействием по первой производной, двухпозиционно-статическое регулирование и усовершенствованное двухпозиционностатическое регулирование). Результаты. В результате имитационного моделирования было доказано, что использование усовершенствованных методов двухпозиционного регулирования улучшает качество управления при простоте реализации. Анализ результатов имитационного моделирования различных методов регулирования показал, что усовершенствованное двухпозиционно-статическое регулирование отличается существенными преимуществами - минимальным отклонением от заданной величины, а также отсутствием статической ошибки. При этом наблюдается недостаток в виде увеличения числа включений реле, что снижает его надежность. Выводы. Проведенные исследования позволяют сформулировать рекомендации для создания систем позиционного регулирования в медицинской технике.

Ключевые слова: двухпозиционное регулирование, имитационное моделирование, суховоздушные стерилизаторы, инкубаторы для новорожденных, наркознодыхательная аппаратура, аппараты экстракорпоральной мембранной оксигенации, биохимические анализаторы

Abstract

THE USE OF EFFECTIVE ON-OFF CONTROL SYSTEMS FOR MEDICAL EQUIPMENT TASKS

S.V. Frolov1, K.S. Savinova2, A.Yu. Kulikov3, I.A. Sukonkin4

Background. The paper considers the use of positional control in medical technology. It is shown that positional control methods are used in control systems of dryair sterilizers, for processing medical instruments, in incubators for premature newborns, in systems for maintaining a given oxygen concentration in extracorporeal membrane oxygenation devices, in biochemical analyzers, in anesthesia and respiratory apparatus. Materials and methods. The paper presents a comparative analysis of various on-off control systems. On the basis of simulation studies, effective options for improved systems have been identified. Despite its undeniable advantages (low cost, ease of use, simplicity of hardware im-plementation), on-off control has a huge drawback - a significant amplitude of fluctuations of the controlled quantity relative to the task. To eliminate this disadvantage, improved methods of two-position regulation were proposed (two-position regulation with additional impact on the first derivative, two-position static regulation and improved two-position static regulation). Results. As a result of simulation modeling, it was proved that the use of advanced methods of on-off control improves the quality of control with ease of implementation. The analysis of the results of simulation modeling of various control methods showed that the improved on-off-static control has significant advantages - a minimum deviation from the set value, as well as the absence of a static error. At the same time, there is a disadvantage in the form of an increase in the number of relay activations, which reduces its reliability. Conclusions. The conducted studies allow us to formulate recommendations for the creation of positional control systems in medical technology.

Keywords: on-off control systems, simulation modeling, dry-air sterilizers, neonatal incubator, anesthetic-respiratory apparatus, extracorporeal membrane oxygenation devices, biochemical analyzers

Введение

имитационное моделирование медицинская техника

Позиционные системы широко распространены при автоматическом регулировании в технике ввиду их надежности, невысокой стоимости, а также простоты работы.

Несмотря на свои достоинства, позиционные системы имеют существенный недостаток - регулируемая переменная характеризуется постоянными колебаниями, являющимися следствием работы этого вида управления. Эта особенность ограничивает область применения позиционных регуляторов.

Для повышения качества регулирования используются усовершенствованные способы позиционного управления.

Для задач медицинской техники наибольший интерес представляют позиционные системы регулирования, применяемые в диагностическом и терапевтическом оборудовании, аппаратном обеспечении чистых стерильных помещений.

Применение позиционного регулирования в медицинской технике

Среди нелинейных законов управления наибольшее применение в медицинской технике получили системы, основанные на позиционном регулировании [1, 2]. В позиционных системах регулирующий орган перемещается в одну из нескольких фиксированных позиций или сигнал управления имеет значения «0» или «1». Согласно количеству позицией органа управления, выделяют двухпозиционные, трехпозиционные и многопозиционные системы [3, 4].

Двухпозиционный регулятор сравнивает текущее значение управляемой величины с заданным значением и меняет состояние выходной величины системы на противоположное, если текущее значение управляемой величины пересекает заданное пороговое значение - задание. Двухпозиционное регулирование является наиболее распространенным методом управления в медицинской технике в силу низких требований к настройке, простоте эксплуатации и обеспечения хорошего качества регулирования для инерционных объектов.

Примером использования двухпозиционного регулятора являются системы настройки суховоздушных стерилизаторов (например, ГП-80-Ох-"ПЗ") [5], предназначенные для воздушной стерилизации инструментов и объектов хирургического и медицинского назначения, а также термостатов (например, ТСО-1/80 СПУ), установленных в системах микроклимата для камер, имитирующих параметры среды, например, температуру и влажность.

При изменении температуры до уровня заданного значения микроконтроллер производит опрос датчика температуры, находящегося внутри камеры, и, в зависимости от величины его сопротивления, подключает исполнительный механизм на нагрев или охлаждение.

Позиционное регулирование применяется в инкубаторах для недоношенных новорожденных [6-8]. Алгоритм поддержки температуры в них аналогичен принципу работы термостата. Помимо температуры, инкубаторы поддерживают заданный уровень влажности и содержания температуры. Управление уровнем влажности осуществляется за счет дистиллированной воды, находящейся в специальном резервуаре, и вентилятора, включающегося при снижении влажности и направляющего часть потока от нагревательного элемента на поверхность воды. Концентрация кислорода в инкубаторе поддерживается электромагнитным клапаном, открывающим кислородную магистраль по сигналу от датчика кислорода (кислородная ячейка) и закрывающим поток кислорода при достижении заданной концентрации.

Позиционное регулирование используют в системах поддержания заданной концентрации кислорода в аппаратах экстракорпоральной мембранной оксигенации (ЭКМО) [6, 7]. Это инвазивный экстракорпоральный метод насыщения крови кислородом при развитии тяжелой острой дыхательной недостаточности. Метод ЭКМО используется при острой сердечной недостаточности и для поддержания жизнедеятельности при проведении операции на открытом сердце совместно с аппаратом искусственного кровообращения, при тяжелых пневмониях, а также в других отраслях медицины. Для проведения ЭКМО к больному подсоединяют мембранный оксигенатор, через который с помощью перистальтического насоса прокачивается кровь и насыщается кислородом. Поддержание необходимой концентрации кислорода осуществляется изменением давления в контуре искусственного кровообращения. В свою очередь поддержание заданного давления производится путем регулирования производительности насоса, которая задается с помощью такой позиционной системы управления, как цифровой регулятор оборотов.

В наркозно-дыхательных медицинских приборах позиционные системы контролируют потоки и давление медицинских газов [9].

В лабораторном оборудовании позиционные системы применяются в биохимических анализаторах [10, 11]. Автоматический биохимический анализатор - полностью автоматизированная система с компьютерным управлением, предназначенная для количественного определения клинических химических показателей in vitro в образцах сыворотки, плазмы, мочи и ликвора. Химическая реакция в биохимических анализаторах должна проходить при температуре, близкой к температуре тела человека, поэтому для поддержания необходимой температуры применяются различные способы: водяная баня (Cobas c311, Dirui CS-T240), воздушный подогрев (Mindray BS-400) или подогрев непосредственно реакционного диска (Furuno CA-270, Furuno CA-400). Во всех случаях для поддержания температуры вблизи заданного значения используется метод позиционного регулирования.

Наряду с системой подогрева реакционной смеси в лабораторном оборудовании широко применяется позиционное регулирование для систем охлаждения отсеков с реагентами. Охлаждение реагентов используется в биохимических анализаторах, коагулометрах, иммунохимических и других приборах. Аппаратная реализация системы охлаждения, безусловно, в разных моделях разная, однако принцип ее построения везде практически одинаков: система охлаждения состоит из полупроводникового охлаждающего модуля элемента Пельтье, радиатора, вентилятора. За управление, как правило, отвечает отдельная плата, основная функция которой - управление полупроводниковым охлаждающим модулем для поддержания температуры реагентов в пределах 6-10 °С.

Несмотря на распространенность позиционного регулирования и решений, основанных на нем в медицинской технике, используемые алгоритмы не обеспечивают должной точности, и наблюдается значительная амплитуда колебаний выходных регулируемых параметров. Рассмотрим ряд методов для усовершенствования качества процесса регулирования в двухпозиционных системах.

Схемные решения методов регулирования, их недостатки и преимущества

В простейшем и наиболее распространенном случае двухпозиционное регулирование реализуется через переключатель, имеющий только два значения - минимальное и максимальное, или две позиции. На рис. 1 представлена схема стандартного двухпозиционного регулирования.

Рис. 1. Структурная схема двухпозиционной системы управления:

ПР - двухпозиционный регулятор; ОУ - объект управления; є - ошибка регулирования; уз - задание; у - выходной параметр;

X - возмущение; хр - регулирующее воздействие; Д - зона возврата реле

Несмотря на очевидные преимущества простого двухпозиционного регулирования - низкую стоимость, удобство использования, простоту аппаратной реализации - схемы, основанные на данном типе регулирования, имеют важный недостаток - высокую амплитуду колебаний управляемого параметра.

Для устранения этого недостатка применяется ряд решений по усовершенствованию стандартного метода регулирования. Наиболее распространенными среди усовершенствованных методов являются двухпозиционное регулирование с дополнительным воздействием по первой производной, двухпозиционное статическое регулирование, а также усовершенствованное двухпозиционно-статическое регулирование.

Система двухпозиционно-статического регулирования включает корректирующий элемент в виде апериодического звена первого порядка. Структурная схема двухпозиционно-статического регулирования показана на рис. 2. Наблюдается снижение амплитуды колебаний вследствие увеличения коэффициента обратной связи. Это приводит к росту числа включений реле. Схема двухпозиционно-статического регулирования не позволяет избежать статической ошибки регулирования.

Рис. 2. Структурная схема двухпозиционно-статического регулирования:

T и к - параметры корректирующего устройства, хк - корректирующий сигнал

В следующем методе двухпозиционного регулирования на элемент сравнения подается значение выходного параметра и его производной (рис. 3).

Рис. 3. Структурная схема двухпозиционного регулирования с дополнительным воздействием по первой производной

Амплитуда колебаний отличается симметричностью относительно задания и имеет небольшое значение. Не наблюдается высокого роста числа включений регулирующего органа.

Двухпозиционно-статическое регулирование (рис. 2) можно дополнить еще одним звеном обратной связи (рис. 4). Таким образом формируется метод усовершенствованного двухпозиционно-статического регулирования.

Рис. 4. Структурная схема усовершенствованного двухпозиционно-статического регулирования

Благодаря применению метода наблюдается симметричность колебаний управляемой величины относительно заданного значения, снижение амплитуды колебаний с повышением числа включений реле и отсутствие статической ошибки.

Моделирование и результаты