本发明公开了一种基于PID控制的呼吸机加温湿化系统控制方法和控制器，涉及一种呼吸机加温湿化系统控制方法和控制器，包括采集实时温度值的步骤和装置、获得得出温度偏差值的步骤和装置、进行PID运算的步骤和装置以及将PID运算结果输出控制加温的步骤和装置。本发明的控制方法采用改进的PID控制方法控制加温温度，加入外部执行周期可使加温连续地进行，提高加温效率，同时通过外部执行周期的设定，能提高控制精度，防止加温热惯性太大；积分运算环节有条件地执行，可使控温反应灵敏、控温稳定、安全可靠、操作简单。
1.基于PID控制的呼吸机加温湿化系统控制方法，包括：
步骤B：用设定温度值减去所述实时温度值得出温度偏差值；
步骤C：对所述温度偏差值进行PID运算并取与所述PID运算的结果最接近的整数为控制输出值，所述PID运算持续进行并实时更新所述控制输出值；
步骤D：进行加温，设定外部执行周期，步骤C中得出的控制输出值即为本个外部执行周期内加温的次数，所述控制输出值每次更新后，均将更新后的控制输出值与本个外部执行周期内已经加温的次数进行比较，如果更新后的控制输出值大于本个外部执行周期内已经加温的次数，则继续加温，否则停止加温。
2.根据权利要求1所述的基于PID控制的呼吸机加温湿化系统控制方法，其特征为，设定温度偏差积分阈值，如果所述温度偏差值大于温度偏差积分阈值，就将步骤C中PID运算的比例运算得出的值、积分运算得出的值和微分运算得出的值相加得出控制输出值，如果所述温度偏差值小于温度偏差积分阈值，就将步骤C中PID运算的比例运算得出的值和微分运算得出的值相加得出控制输出值。
3.根据权利要求1所述的基于PID控制的呼吸机加温湿化系统控制方法，其特征为，设有控温执行范围，并且：如果温度偏差值在所述控温执行范围内，就执行步骤C和步骤D；如果温度偏差值小于所述控温执行范围的下限，就不执行步骤C和步骤D且不进行加温；如果温度偏差值大于所述控温执行范围的上限，就不执行步骤C和步骤D且进行持续加温。
4.根据权利要求3所述的基于PID控制的呼吸机加温湿化系统控制方法，其特征为，所述控温执行范围为[-1，5]。
5.基于PID控制的呼吸机加温湿化系统控制器，包括
装置B：用于用设定温度值减去所述实时温度值得出温度偏差值；
装置C：用于对所述温度偏差值进行PID运算并取与所述PID运算的结果最接近的整数为控制输出值，所述PID运算持续进行并实时更新所述控制输出值；
装置D：用于进行加温，设定外部执行周期，装置C中得出的控制输出值即为本个外部执行周期内加温的次数，所述控制输出值每次更新后，都将更新后的控制输出值与本个外部执行周期内已经加温的次数进行比较，如果更新后的控制输出值大于本个外部执行周期内已经加温的次数，则继续加温，否则停止加温。
6.根据权利要求5所述的基于PID控制的呼吸机加温湿化系统控制器，其特征为，所述控制器还包括装置E，装置E用于设定温度偏差积分阈值，如果所述温度偏差值大于温度偏差积分阈值，就将装置C中PID运算的比例运算得出的值、积分运算得出的值和微分运算得出的值相加得出控制输出值，如果所述温度偏差值小于温度偏差积分阈值，就将装置C中PID运算的比例运算得出的值和微分运算得出的值相加得出控制输出值。
7.根据权利要求5所述的基于PID控制的呼吸机加温湿化系统控制器，其特征为，所述控制器还包括装置F，装置F设有控温执行范围，并且：如果温度偏差值在所述控温执行范围内，就运行装置C和装置D；如果温度偏差值小于所述控温执行范围的下限，就不运行装置C和装置D且不进行加温；如果温度偏差值大于所述控温执行范围的上限，就不运行装置C和装置D且进行持续加温。
8.根据权利要求7所述的基于PID控制的呼吸机加温湿化系统控制器，其特征为，所述控温执行范围为[-1，5]。
基于PID控制的呼吸机加温湿化系统控制方法和控制器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种呼吸机加温湿化系统控制方法和控制器，具体涉及一种基于PID控制的呼吸机加温湿化系统控制方法和控制器。该方法通过建立功能模块构架，由计算机程序指令控制计算机系统来完成。
背景技术
[0002] PID（Proportion Integration Differentiation）控制已有约70年的历史，如今依然广泛地应用于工业控制中，传统的PID控制是根据某个变量的设定值r(t)与实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)，即e(t)=r(t)-y(t)，对偏差e(t)分别进行比例、积分和微分运算，然后将运算的结果相加，就得到PID控制器的控制输出u(t)，控制系统依据u(t)对该变量进行调整使其往设定值r(t)靠拢。PID控制原理简单易懂，应用广泛。
[0003] 为了给病人提供舒适的呼吸环境，避免干燥寒冷的气体对呼吸道和肺脏的损伤，在使用呼吸机治疗时必须对吸入气体进行湿化、温化。如今常用的两种加温湿化的方法有：一是雾化加湿；一是蒸汽加湿。其中蒸汽加湿是将水加温后产生蒸汽，混进吸入气中，从而达到加湿、加温的双重目的。现有的采用蒸汽加湿的呼吸机加温湿化系统，控温反应迟钝，同时由于加温的温度会受到室温、气道长度和控温系统失调等因素的影响，容易导致温度偏高或偏低，控温不稳定，温度不稳定对患者产生很大的不良影响，甚至烧伤呼吸道。
发明内容
[0004] 本发明的目的是针对现有技术中的上述不足，提供一种控温反应灵敏，控温稳定的基于PID控制的呼吸机加温湿化系统控制方法和控制器。
[0005] 本发明的目的通过以下技术方案实现：
[0006] 基于PID控制的呼吸机加温湿化系统控制方法，包括：
[0007] 步骤A.采集实时温度值；
[0008] 步骤B.用设定温度值减去所述实时温度值得出温度偏差值；
[0009] 步骤C.对所述温度偏差值进行PID运算并取与所述PID运算结果最接近的整数为控制输出值，所述PID运算持续进行并实时更新所述控制输出值；
[0010] 步骤D.进行加温，设定外部执行周期，步骤C中得出的控制输出值即为本个外部执行周期内加温的次数，所述控制输出值每次更新后，都将更新后的控制输出值与本个外部执行周期内已经加温的次数进行比较，如果更新后的控制输出值大于本个外部执行周期内已经加温的次数，则继续加温，否则停止加温。
[0011] 进一步地，设定温度偏差积分阈值，如果所述温度偏差值大于温度偏差积分阈值，就将步骤C中PID运算的比例运算得出的值、积分运算得出的值和微分运算得出的值相加得出控制输出值，如果所述温度偏差值小于温度偏差积分阈值，就将步骤C中PID运算的比例运算得出的值和微分运算得出的值相加得出控制输出值。
[0012] 进一步地，设有控温执行范围，并且：如果温度偏差值在所述控温执行范围内，就执行步骤C和步骤D；如果温度偏差值小于所述控温执行范围的下限，就不执行步骤C和步骤D且不进行加温；如果温度偏差值大于所述控温执行范围的上限，就不执行步骤C和步骤D且进行持续加温。
[0013] 其中，所述控温执行范围在坐标轴中相对坐标原点不对称。
[0014] 本发明的有益效果：本发明的控制方法采用改进的PID控制方法控制加温温度，加入外部执行周期可使加温连续地进行，提高加温效率，同时通过外部执行周期的设定，能提高控制精度，防止加温热惯性太大；积分运算环节有条件地执行，可使控温反应灵敏、控温稳定、安全可靠、操作简单。
具体实施方式
[0015] 以下结合实施例对本发明进行详细说明。
[0016] 本发明的基于PID控制的呼吸机加温湿化系统控制方法和控制器，应用于蒸汽加湿的呼吸机中，在所述控制方法中引入经过改进的PID控制对加温的温度进行控制，使温度能快速地稳定在设定温度。
[0017] 所述加温湿化系统包括电源电路、PID控制电路、过零检测电路和加温电路，加温电路包括加温装置，PID控制电路包括处理器和温度传感器，过零检测电路从交流电中获得过零点信号，再将所述过零点信号传输到PID控制电路，温度传感器采集加温装置的实时温度并将所述实时温度转换为实时温度信号后传输到处理器，PID控制电路依据所述实时温度信号进行PID运算，PID控制电路依据所述PID运算结果产生加温触发信号后将所述加温触发信号传输给加温电路。电源电路的作用是将5V直流电压转换为3.3V和为AD转换提供基准电压VREF+；PID控制电路的主要作用为采集加温装置的实时温度并进行PID运算产生加温触发信号控制加温电路工作；过零检测电路的作用是从交流电中获取过零点信号；加温电路的作用是从PID控制电路获得加温触发信号后进行加温。
[0018] 所述加温湿化系统还包括地址译码电路、显示接口电路、串口电路、JTAG调试接口电路和五向遥杆电路，地址译码电路、串口电路、JTAG调试接口电路和五向遥杆电路分别与电源电路、PID控制电路连接，显示接口电路与地址译码电路、PID控制电路连接。地址译码的作用是拓展处理器的I/O口；显示接口电路的作用是连接显示屏，以显示实时温度与设定温度；串口电路的作用是使所述加温湿化系统可以和上位机进行通信；JTAG调试接口电路用于ARM仿真器烧写固件和下载调试程序；五向遥杆电路用于设定温度、手动调节PID参数和切换显示界面。
[0019] 本发明的基于PID控制的呼吸机加温湿化系统的工作过程详见下面的基于PID控制的呼吸机加温湿化的控制方法。
[0020] 步骤A：采集实时温度值，温度传感器采集加温装置的实时温度，并将所述实时温度转换为实时温度信号，然后将所述实时温度信号传输到处理器，处理器将所述实时温度信号转换为实时温度值。
[0021] 步骤B：处理器将加温装置的设定温度值减去所述实时温度值得出温度偏差值。
[0022] 步骤C：PID控制电路对所述温度偏差值进行PID运算并取与所述PID运算结果最接近的整数为控制输出值，所述PID运算持续进行并实时更新所述控制输出值。由于PID运算中的积分运算主要用于消除静差，当温度偏差值很小时，在控制输出值中加上积分运算得出的值反而会让所述加温湿化系统的反应迟钝，为此本实施例设有温度偏差积分阈值，如果所述温度偏差值大于温度偏差积分阈值，就将所述PID运算中的比例运算得出的值、积分运算得出的值和微分运算得出的值相加得出控制输出值，如果所述温度偏差值小于温度偏差阈值，就将所述PID运算中的比例运算得出的值和微分运算得出的值相加得出控制输出值，在本实施例中，设定温度偏差积分阈值为0.5，在温度偏差值小于0.5时控制输出值不加上积分运算得出的值会让加温湿化系统的反应灵敏，控温稳定。在本实施例的加温湿化系统中，处理器为STM32F103ZET6芯片，设置AD采样时间为239.5个周期，即PID采样周期为30us，也就是说每30us就会更新一次控制输出值。
[0023] 步骤D：PID控制电路依据PID运算结果控制加温装置进行加温。由于PID控制电路进行的PID运算过于频繁，而加温装置需要连续的升温时间，过于频繁的切换加温状态不能让加温装置有效地工作，因此PID控制电路设有外部执行周期，以控制一个外部执行周期内加温装置连续加温的次数。在本实施例中，过零检测电路从交流电中获得过零点信号，再将所述过零点信号传输到PID控制电路，PID控制电路中处理器的外部中断记录过零点信号的数量，设定以N个过零点信号为一个外部执行周期，其中N为正整数，在本实施例中设定N为100，所述外部中断从1～N循环记录过零点信号的数量，具体地，在本实施例的加温湿化系统，处理器为STM32F103ZET6芯片，我国交流电的电压和频率为220V/50Hz，周期为20ms，过零检测电路包括整流桥DB107，交流电经过整流桥DB107之后，负相位改变，周期变为10ms，故过零检测电路取出的过零点信号周期为10ms，过零检测电路将所述过零点信号传输到处理器的外部中断，外部中断记录过零点信号的数量，设置1s为一个外部执行周期，则外部中断记录100个过零点信号的时间为一个外部执行周期。在每个外部执行周期中，PID控制电路依据过零点信号的低电平产生加温触发信号控制加温装置加温，步骤C中得出的控制输出值即为本个外部执行周期内PID控制电路需产生的加温触发信号的个数，PID控制电路记录每个外部执行周期内已经产生的加温触发信号的个数，控制输出值每次更新后，都将更新后的控制输出值与本个外部执行周期内已经产生的加温触发信号的个数进行比较，如果更新后的控制输出值大于本个外部执行周期内已经产生的加温触发信号的个数，则继续产生加温触发信号控制加温装置连续加温，直到更新后的控制输出值等于或者小于已经产生的加温触发信号的个数，此时本个外部执行周期内就不再产生加温触发信号了，到外部中断记录的过零点信号达到N时，本个外部执行周期结束，下一个外部执行周期开始，PID控制电路记录的上一个外部执行周期已经产生的加温触发信号的个数清零，PID控制电路重复上一个外部执行周期的操作。在每个外部执行周期内，PID控制电路持续产生加温触发信号，直到更新后的控制输出值等于或者小于已经产生的加温触发信号的个数才会停止产生，因此在每个外部执行周期内，加温的时间被集中在了外部执行周期的前面，在每个外部执行周期内加温装置都获得了连续的加温时间。外部执行周期的长短的设定，依据加热装置的特性，对于升温快降温慢的加温装置，设定的外部执行周期就短，防止加温惯性过大导致降温时间加长。
[0024] 进一步地，设有控温执行范围，并且：如果温度偏差值在所述控温执行范围内，就执行步骤C和步骤D；如果温度偏差值小于所述控温执行范围的下限，就不执行步骤C和步骤D且加温电路不进行加温；如果温度偏差值大于所述控温执行范围的上限，就不执行步骤C和步骤D且加温电路进行持续加温。由于执行PID控制会让加温装置断断续续地工作，
