Модернизация системы управления легочной вентиляцией стенда-имитатора дыхания

Приведены результаты исследований процессов перестройки режимов стенда СИД-2 при испытаниях изолирующих дыхательных аппаратов с увеличенной легочной вентиляцией, позволяющих повысить скорость и точность перестройки по частоте дыхания, её стабильность и внедрить элементы автоматизации процесса.

Ключевые слова: система управления, легочная вентиляция, регулятор, автоматизация, стенд-имитатор дыхания.

Новый стандарт на изолирующие дыхательные аппараты ДСТУ EN 13 794 [1] требует, в отличие от ДСТУ EN 401, проведения испытаний с более полной имитацией дыхательных процессов. Эти испытания можно проводить на стенде-имитаторе дыхания СИД-2 с соответствующей установкой дыхательных режимов. При этом в заданное время, в зависимости от типа аппарата, происходит увеличение частоты дыхания с 20 до 30 циклов в минуту. Через 5 мин работы в этом режиме необходимо провести обратную перестройку режимов стенда.

В статьях [4, 5] описаны исследования системы управления частотой дыхания стенда СИД-2, в результате чего определено, что существующая система управления частотой дыхания имеет много недостатков: контроль и измерение частоты дыхания ведутся вручную с помощью секундомера; центробежный регулятор при малых значениях частоты дыхания не способен обеспечить бесступенчатое управление; отсутствует возможность перестройки частоты дыхания с 20 до 30 циклов в минуту и наоборот через 5 мин, как этого требует ДСТУ EN 13 794. Поэтому возникла необходимость модернизации системы управления частотой дыхания с учетом этих недостатков.

В статье [5] описано исследование элементного состава системы управления и составлена функциональная схема, рассчитаны передаточные функции звеньев системы. Передаточная функция порошковой муфты описывается зависимостью.

Передаточная функция редуктора Wред (s), представленная безынерционным звеном, равна его передаточному числу kред = 1/30.

В качестве программы для исследования выбран пакет simulink, входящий в состав пакета MatLab [2], который предназначен для блочно-ориентированного моделирования различных объектов и систем управления. На основании структурной схемы системы автоматического управления частотой дыхания составлена её цифровая модель (рис. 1) с учетом внешнего воздействия. Так как поршень движется в вертикальной плоскости, то при подъеме вверх вращательный момент на валу двигателя увеличивается, а при движении вниз — наоборот.

Использование модели позволяет исследовать процессы в системе автоматического управления частотой дыхания. На центробежном регуляторе было задано поддержание частоты дыхания на уровне 30 мин-1.

Результаты моделирования работы в системе автоматического управления частотой дыхания (w, мин-1) с учетом влияния внешнего воздействия (wвнеш, мин-1) и использования пакета MatLab приведены на рис. 2 (кривая 1).

Из рис. 2 (кривая 1) следует, что на выходе системы с учетом внешнего воздействия не поддерживается устойчивое значение частоты дыхания (30 мин-1), а получаем негармонические колебания в пределах от 27 до 33 мин-1. Период переключения регулятора неравномерен, что приводит к более частому переключению, а соответственно — к износу контактов и появлению наводок.

Рис. 1. Структурная схема системы автоматического управления частотой дыхания с учетом влияния внешнего воздействия

Так как большинство функций управления частотой дыхания осуществлялись вручную, что приводило к появлению ошибок и длительному выходу на рабочий режим, то возникла необходимость разработки новой системы управления частотой дыхания, которая будет осуществлять автоматическое управление и контроль частоты дыхания с использованием современных законов управления, датчиков, аппаратных и программных средств автоматизации, таких, как персональный компьютер (ПК) и микроконтроллер (МК).

Система автоматического управления частотой дыхания должна поддерживать на выходе системы постоянное значение заданной режимом частоты вращения и удовлетворять поставленным требованиям стандарта ДСТУ EN 13 794. Переход между режимами, где отличается значение частоты дыхания, должно осуществляться не более чем за один цикл дыхания без перерегулирования частоты вращения.

На выход системы влияют внешние воздействия. Так как поршень движется в вертикальной плоскости, то при подъеме вверх момент увеличивается, при движении вниз, наоборот, уменьшается. Были проведены исследования влияния ступенчатого внешнего воздействия с амплитудой, равной двум дыханиям в минуту. Возникают также скачки при неравномерной смазке в редукторе и при неравномерном распределении ферромагнитной массы в порошковой муфте. Система автоматического управления должна компенсировать влияние внешних воздействий и поддерживать на выходе стабильное значение частоты дыхания.

Проанализировав все недостатки системы управления частотой дыхания с использованием центробежного регулятора, составили более совершенную функциональную схему, представленную в статье [5].

В качестве контроллера для системы автоматического управления частотой дыхания выбираем микропроцессорный программируемый аппарат МИК-51 [3] - компактный малоканальный многофункциональный контроллер, предназначенный для автоматического регулирования и логического управления технологическими процессами, который эффективно решает сравнительно простые и сложные задачи управления.

Для системы автоматического управления выбрали и провели исследования ПИД-закона управления.

ПИД-регуляторы получили широкое применение на практике благодаря своей робастности и функциональной простоте.

Закон управления ПИД-регулятора:

(2).

где u (t) — сигнал управления;

• — сигнал ошибки;
• — коэффициент пропорциональной составляющей;

— коэффициент при интегрирующей составляющей регулятора;

TD — коэффициент при дифференцирующей составляющей.

Интегральная составляющая вводится для компенсации статической ошибки (придает системе астатизм), дифференциальная составляющая вводится для форсирования управления (оперативного реагирования на всякие изменения).

Передаточная функция ПИД-регулятора:

(3).

где K0 — коэффициент усиления пропорциональной составляющей регулятора;

K1 — коэффициент интегрирующей составляющей регулятора;

K2 — коэффициент дифференцирующей составляющей регулятора.

Микропроцессорный программируемый контроллер МИК-51 имеет встроенный ПИД-регулятор. Настройка осуществляется нахождением всех необходимых коэффициентов и вводом их во встроенный ПИД-регулятор. В качестве датчика выбираем тахогенератор с коэффициентом передачи 1.

Существует множество методик настройки ПИД-регулятора, которые будут отвечать необходимым показателям качества регулирования. Некоторые методы позволяют увеличить быстродействие, но при этом возникает в системе перерегулирование и наоборот.

Структурная схема системы управления частотой дыхания с ПИДрегулятором в SIMULINK представлена на рис. 3. На схеме элемент с названиемObekt представляет собой элемент subsystem со структурой системы управления частотой дыхания, а элемент с названием PID — элемент subsystem с структурой ПИД-регулятора. Между объектом управления и регулятором находится звено ограничения с верхним уровнем 36 В, которое обусловливается аппаратной реализацией муфты и двигателя. На выход системы действует внешнее воздействие.

Произведена настройка ПИД-регулятора вручную, до получения необходимых показателей качества. Настройка осуществляется методом подбора коэффициентов. При K0 = 15; K1 = 2; K2 = 1 получены результаты, представленные на рис. 2 (кривая 2), откуда следует, что переходный процесс удовлетворяет требуемым показателям качества. Время переходного процесса меньше 1 c и в системе отсутствует перерегулирование.

Представленная система управления позволяет оперативно перестраивать частоту дыхания на стенде с 20 на 30 вдохов-выдохов в минуту и наоборот, а также поддерживать частоту на заданном уровне, что удовлетворяет требованиям ДСТУ EN 13 794.

изолирующий аппарат дыхание частота.

Рис. 3. Структурная схема системы управления частотой дыхания с ПИД-регулятором

Таким образом, с помощью ПК и МК в процессе испытаний автоматически изменяем частоту дыхания, испытания на стенде были приближены к натурным, а их применение позволяет отказаться от ручной обработки результатов испытаний и автоматизировать процесс получения протокола испытаний, избегая возможных ошибок.

• 1. ДСТУ EN 13 794. Респіратори ізолюючі регенеративні для робіт: 2007 — 145 с.
• 2. Дьяконов В. Математические пакеты расширения MatLab: специальный справочник В. Дьяконов, В. Круглов. — СПб: Питер, 2001. — 467 с.
• 3. Микропроцессорный программируемый контроллер МИК-51 // Средства автоматизации технологических процессов: каталог. — Ивано-Франковск, 2005. — 60 с.
• 4. Попов В. Н. Автоматизация управления процессом испытания дыхательных аппаратов / В. Н. Попов, В. А. Вольский, О. В. Папазова // Горноспасательное дело: сб. науч. тр. / НИИГД «Респиратор». — Донецк, 2006. — Вып. 43. — С. 158 — 164.
• 5. Попов Е. В. Автоматизация управления стендом-имитатором дыхания человека / Е. В. Попов, С. Ф. Суков, В. Н. Попов Горноспасательное дело: сб. науч. тр. / НИИГД «Респиратор». — Донецк, 2008. — Вып. 45 — С. 170 — 173.