автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Математическое моделирование и оптимальное управление процессом имитации дыхания человека

На правах рукописи

ИВАНОВ АНДРЕИ МИХАЙЛОВИЧ

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ИМИТАЦИИ ДЫХАНИЯ ЧЕЛОВЕКА

Специальность 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

г о '/¡юн М13

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ТАМБОВ 2013

005062016

005062016

Работа выполнена на кафедре «Информационные процессы и управление» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ»),

Научный руководитель Погонин Василий Александрович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет»

Официальные оппоненты: Фролов Сергей Владимирович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет»

Кудряшов Владимир Сергеевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий»

Ведущая организация Государственный научный центр Российской

Федерации «Институт медико-биологических проблем РАН» (ГНЦ РФ «ИМБП РАН»)

Защита диссертации состоится 2 июля 2013 г. в ¿/часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.01 при ФГБОУ ВПО «ТГТУ» по адресу: 392620, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, Большой зал.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, ФГБОУ ВПО «ТГТУ» ученому секретарю диссертационного совета Д 212.260.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ТГТУ по адресу: г. Тамбов, ул. Мичуринская, д. 112.

Автореферат разослан « 5/ » >иДЛ 2013 г.

Ученый секретарь ]ии

диссертационного совета # Чуриков Александр Алексеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Основной целью государственной политики в области защиты людей от поражающих факторов техногенных угроз является обеспечение гарантированного уровня их безопасности, в связи с чем задача респираторной защиты людей стоит наиболее остро. Вследствие чего разрабатываются новые средства индивидуальной защиты органов дыхания человека (СИЗОД), а также их компоненты, требующие проведения испытаний как на стадии разработки, так и на стадии производства, с целью контроля качества изделий. Также проводят сертификационные испытания с целью проверки на соответствие нормативной документации. Основным средством для проведения испытаний СИЗОД, а также их отдельных узлов, являются системы имитации внешнего дыхания человека, получившие в специальной литературе название установки «Искусственные легкие» (ИЛ).

Качество проведения испытаний во многом зависит от точности воспроизводства сложных процессов внешнего дыхания человека при многократном повторении испытаний, что становится невозможным при ручном регулировании оператором некоторых параметров в ходе проведения испытаний СИЗОД. В этой связи наиболее важна автоматизация ряда процессов, происходящих в установке ИЛ.

При управлении процессом проведения испытаний на установке ИЛ имеется ряд особенностей: установка работает циклично, при том, что при каждом цикле газовый состав внутри установки изменяется, контроль газового состава посредством газоанализаторов происходит со значительной задержкой вследствие низкого быстродействия газоанализаторов, невозможно воспроизводство влияния психофизиологических состояний человека на параметры внешнего дыхания.

Значительные энергозатраты на проведение испытаний, высокие требования к точности проведения испытаний, существующие особенности процесса как объекта управления (периодический и нестационарный характер процессов, большое число взаимосвязанных выходных координат, совмещенность тепло- и массообменных процессов, а также их слабая изученность) определяют необходимость нахождения оптимальных режимов функционирования установки ИЛ и разработки эффективных системы управления (СУ) процессом проведения испытания на основе использования методов математического моделирования

В этой связи работа по созданию испытательных установок ИЛ нового типа, позволяющих устранить недостатки существующих, является актуальной.

Цель работы: повышение эффективности процесса проведения испытаний СИЗОД на установках ИЛ в различных режимах функционирования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: разработать математическую модель внешнего дыхания человека пригодную для решения задачи оптимального управления, учитывающую различные психофизиологические состояния человека, а также провести имитационные исследования; поставить задачу оптимального управления процессом имитации внешнего дыхания человека; разработать интеллектуальную систему управления.

Объект исследования: процесс имитации внешнего дыхания человека.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы системного анализа, математического моделирования, современной теории автоматического управления, оптимального управления.

Научная новизна работы.

Разработана математическая модель внешнего дыхания человека, учитывающая различные психофизиологические состояния человека.

Поставлена задача оптимального управления испытательной установкой ИЛ.

Предложен алгоритм решения задачи оптимального управления процессом имитации внешнего дыхания человека на установке ИЛ.

Разработан прогнозирующий алгоритм управления установкой ИЛ, позволяющий минимизировать ошибки воспроизведения заданных объемов газов.

Разработана структура интеллектуальной системы управления установкой ИЛ

Практическая ценность: разработан комплекс программ для проведения имитационных исследований процесса имитации внешнего дыхания человека на установке ИЛ при проведении испытаний СИЗОД; предложена методика разработки алгоритмического обеспечения систем имитации внешнего дыхания человека; результаты решения задачи оптимального управления позволяют использовать их при принятии проектных решений о выборе класса системы управления ее структуры и параметров. Результаты выполненных в работе исследований внедрены в учебный процесс на кафедре ИПУ ФГБОУ ВПО «ТГТУ» для студентов, обучающихся по направлениям 220200, 220400.

Реализация работы. Программное обеспечение после экспериментальной эксплуатации принято к использованию в испытательном центре «СПИРО-ТЕХНОТЕСТ» ОАО «Корпорация «Росхимзащита» в г. Тамбове, а также полученные результаты используются в ОАО «ЭНПО «Неорганика» и ОАО «ЭХМЗ» г. Электросталь.

Апробация работы. Основные результаты работы представлялись и обсуждались на всероссийских и международных научных конференциях: IV научно-практической конференции «Современные тенденции технических наук» (Уфа, 2011); VI Международной научно-практической конференции «Перспективы развития информационных технологий» (Новосибирск 2011); IV Международной научно-практической конференции «Теория и практика современной науки» (Москва, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликованы восемь печатных работ, три из которых в изданиях из перечня периодических изданий ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации; определена цель и сформулированы задачи исследований; раскрыты научная новизна и практическая значимость; приведены результаты апробации работы; сформулированы результаты исследований, выносимые на защиту.

В первой главе «Современное состояние исследований в области моделирования и управления процессом имитации дыхания человека» рассмотрены принципы процессов проведения испытаний средств защиты органов дыхания; определены процессы и факторы, влияющие на качественные показатели процесса испытаний. Приведено описание существующих систем и алгоритмов управления, рассмотрены критерии оптимальности режимов работы установки «Искусственные легкие», дана характеристика методов решения задач оптимального управления.

Во второй главе «Математическое моделирование процесса имитации внешнего дыхания человека» проведен анализ процесса газообмена при внешнем дыхании человека, представлено математическое описание процесса имитации внешнего дыхания как объекта управления.

Для имитации процесса дыхания человека на установке «Искусственные легкие» режим испытания задается следующими параметрами: глубиной дыхания Уа, дм ; частотой дыхания п, мин"1; легочной вентиляцией IV„ = Уяп, дм3/мин.

Объемная подача диоксида углерода в ходе всего испытания 1¥сс>2 (0),

дм3/мин, имитирует выделение человеком диоксида углерода. Эта величина определяет начальную объемную долю диоксида углерода в выдыхаемой ГДС, обозначаемую как Ссо2 (0), которая зависит от величины подачи диоксида углерода в начальный момент испытания и легочной вентиляции: Ссс>2 (0) = И7СОг (0)/ IV,,.

Важное значение для имитации дыхания является правильное воспроизведение дыхательного коэффициента Ка, который определяет уровень потребления кислорода человеком, а при испытаниях на установке ИЛ задается режимом испытаний. В последнем случае Кд = И/СОг (0)/Я/с,2 .

Объемная доля азота в ГДС рассчитывается исходя из допущения, что в контуре «ИЛ-СИЗОД» циркулирует только трехкомпонентная смесь С02,

02, И2. Объемная доля азота во вдыхаемой ГДС: С®? = 1 - - СДД

N2 С02 02 "

Аналогично, для выдоха: С"ь,д = 1 - С™:1 - СД',1Д .

1^2 1_и2 и 2

Количество ГДС, которое необходимо удалить на фазе вдоха Ищс, дм /мин, для обеспечения удаления из системы требуемого объема и массы кислорода: 1ГГДС = \УСС>1 /Со2 .

При этом вместе с кислородом из системы удаляется также азот и диоксид углерода. Объемный расход которых определяется исходя из их объемных долей в сбрасываемой ГДС: = С« 1УГДС, = С^ (Гщс .

Указанные объемы С02 и Ы2 необходимо вернуть в систему для сохранения материального баланса по этим газам, как это происходит при реальном использовании ИДА человеком. Расчет количества диоксида углерода и азота, которые необходимо подать в имитатор дыхания, ведется на основании уравнений материального баланса, что позволяет рассчитать количества отбора ГДС из системы, количества С02 и Ы2, которые необходимо вернуть в систему для различных режимов испытаний ИДА.

Таким образом, для полной имитации потребления кислорода из имитатора дыхания необходимо удалять ГДС с объемным расходом:

^гдс = <ЧСга2 = ^СО2(0)/(ВДЯ2) •

Описанные зависимости позволяют разработать математическую модель внешнего дыхания человека, описывающую динамические процессы в ИЛ, имитирующие различные пневмотахограммы дыхания, уровни потребления кислорода, что обусловлено возможными психофизиологическими состояниями человека.

Структурная схема установки ИЛ, рассматриваемой как объект управления, представлена на рис. 1.

с; с» и^(р) п к

Вид

ггтг

К,

хп—И Л —

/V

«Искусственные легкие»

■V •где

•V

"сог

-Г1™ ./-ил <-02

Рис. 1. Структурная схема модели

Входными параметрами модели являются: Хп - координата положения штока поршневого дозатора сброса ГДС, дм; р., - степень открытия клапана дополнительной подачи С02 из емкости, б/р; ц2 - степень открытия клапана подачи N2 из емкости, б/р; п - частота дыхания, мин-1; Уд - глубина дыхания, дм3; Вид ПТГ - вид пневмотахограммы синусоида, треугольник, трапеция; Кл - дыхательный коэффициент, б/р; (¥сс,2 (0) - поток подачи С02, имитирующего выделение человеком диоксида углерода, дм3/мин; С^ - концентрация вдыхаемого С02, б/р; С™ - концентрация вдыхаемого 02, б/р; С^ - концентрация вдыхаемого N2, б/р.

Выходные параметры (сигналы): Рущ — давление ГДС в ИЛ на фазе выдоха, Па; Кгдс - объем ГДС, удаляемый из системы на фазе вдоха, дм3; Усо2 ~ объем

С02, возвращаемого в систему на фазе вдоха, дм3; - объем N2, возвращаемого в систему на фазе вдоха, дм3; С™ - текущая концентрация С02 в ИЛ,

б/р; - текущая концентрация 02 в ИЛ, б/р; С™ - текущая концентрация

в ИЛ, б/р.

Газовые потоки в установке модулируются пневмотахограммами дыхания, являющимися в данном случае модулирующими функциями. В качестве модулятора выступает привод имитатора дыхания, задающий всей установке частоту, глубину и вид пневмотахограммы дыхания.

Объем сброса ГДС Кгдс, объемы подачи газов УСОг и на каждом вдохе должны отрабатываться синхронно с приводом имитатора дыхания с помощью соответственно управляемого поршневого дозатора и регулируемых клапанов подачи газа.

Виды пневмотахограмм, используемых в модели, показаны на рис. 2. Фигуры, ограничиваемые кривыми, являются равновеликими, поскольку соответствуют одной и той же легочной вентиляции IV-,. Треугольная и трапецеидальная пневмотахограммы в модели реализуются кусочно-линейными функциями.

Рис. 2. Пневмотахограммы дыхания:

1 - синусоидальная; 2 - треугольная; 3 - трапецеидальная; ^К/Л - объемная скорость вдыхаемых (выдыхаемых) газов, м3/с; /.„ ц - текущее время начала очередного цикла вдоха-выдоха, с; ?вд - продолжительность вдоха, с; /вьи - продолжительность выдоха, с; /„л + ?выД= Гц - длительность цикла вдоха-выдоха, с; Л = 60/2п - 60//ш, = 60/!т, с, где для /] и Ь' п - частота дыхания, мин-1; И е (2,4) - коэффициент, характеризующий форму трапеции; при И = 4 трапеция превращается в треугольник

Модулирующие функции для синусоидальной пневмотахограммы трапецеидальной (треугольной) для вдоха ^ и выдоха задаются соответственно выражениями:

И при /нц +/,</< гнц +/2; /г(?1-1)[/-(?н ц+/2)]/'1 при />/„.ц+/2;

/гтр

выд

- л[/ - Олц +'вд)]/(, при/<Гнц+/ц-(2;

-И при/нц+/ц-/2</</нц+/ц-/,;

_-А(/1-1)[/-(*НЛ,+/ц-/,)]//! при />/нц +/ц-/!.

Основные соотношения математической модели процесса имитации дыхания человека: изменение объемов газов на фазе вдоха, например, при реализации синусоидальной пневмотахограммы: - объемы вдыхаемых газов:

¿У™ IЖ = W¿I2ЛFsiI,;

N2

- объем сброса ГДС: УГдс = Хп; возврат сброшенных газов N2 и СО2 из баллона, где Хп определяется из следующих уравнений:

- потребление 02: с1У02 / Л = Жсс>2 (0) / .

Изменение концентрации газов в установке ИЛ на вдохе при реализации синусоидальной пневмотахограммы:

х (жс02 (0) + + IV™ + Ж™ /(у0Кя + КИЛ + КрдС )2;

^С™ = [(С+ Кил + + К™ )х

х (¡V20г (0) + + <2Л + И^™ {у0Кя + УШ + Ущс]2' <1 _ ^ ^.ил ^ ^ил

м

уп.к„+сМг„п+уг

,Ш1

Л

'N2

л 02 •

Потоки газов, поступающих в блок имитации дыхания установки ИЛ, можно записать в следующем виде (дм3/мин):

И/ИЛ _ гш. т/ "СО 2 ^-С02 *ДИ'

71,ИЛ _ ,-вд У _ цг . "О2 -С02 Ди "02>

ы2'д"

Указанные уравнения с начальными условиями являются математической моделью процесса имитации дыхания человека.

В третьей главе «Имитационные исследования процессов протекающих в установке «Искусственные легкие» рассмотрены статические и динамические характеристики установки как объекта управления, используя его математическую модель имитации. Исследования проведены для определения чувствительности выходных параметров процесса имитации дыхания на изменение входных, а также для определения возможных диапазонов изменения управляющих воздействий и возможных компенсаций возмущающих воздействий при реализации всей совокупности дыхательных режимов, используемых при испытаниях СИЗОД.

Важнейшей задачей при имитации дыхания на установке ИЛ является реализация адекватного объема потребления кислорода легкими человека.

Имитационные исследования проведены, используя данные различных испытаний, условно разделенных на три режима (1, 2 и 3), параметры которых соответствуют стандартизированным испытательным режимам.

На рисунке 4 представлены статические характеристики канала управления сбросом ГДС на каждом вдохе для исследуемых режимов 1, 2 и 3 возможном диапазоне изменения концентрации вдыхаемого кислорода: 0,1... 0,9. Здесь точки

соответствуют стандартным атмосферным условиям ( С= 0,21).

Рис. 4. Статические характеристики канала управления сбросом ГДС для исследуемых режимов:

I ~ Кгдс(С™ ), режим 1; 2- Кгдс(С™ ), режим 2; 3 - Ргдс( С™ ), режим 3; 4 - КГДС(ХП)

Анализ данных статических характеристик показывает, что имеющийся диапазон изменения положений штока поршневого дозатора сброса ГДС достаточен для реализации всех дыхательных режимов.

\к> дм3

0.2

\ /3

\ N

к ¿Й 1 \ \

> > * 1 1 1 2 !

р7 1 1 • > I

0.1

0.1 0.2 0.3 0.4

_I_I_1-

0.2 0.3 0.4

0.5 0.6 0.7

Ь.8 С02|

0.9 №

Рис. 5. Статические

характеристики канала управления дополнительной подачей СОг:

2-Ус02(С™2);

3- Гсо2(С%)

0.7

0.8 С

Н2

Рис. 6. Статические

характеристики канала управления дополнительной подачей N2:

Используя математическую модель, построены статические характеристики для каналов управления дополнительной подачей диоксида углерода и азота для режима на примере режима 3.

На рисунках 5 и 6 показаны статические характеристики канала управления дополнительной подачей С02 и статические характеристики канала управления подачей Ы2 для режима 3 соответственно.

Из анализа статических характеристик можно сделать вывод, что величины объемов сброса ГДС и подачи диоксида углерода и азота взамен удаленных при имитации потребления кислорода наиболее чувствительны к изменению положений штока поршневого дозатора сброса ГДС, изменению степеней открытия клапанов подачи С02 и Ы2 соответственно, что говорит о правильности выбора управляющих воздействий и о возможности реализации всех исследуемых дыхательных режимов.

Динамические свойства объекта управления исследованы на примере режима 2. Для имитации различных психофизиологических состояний человека, привод имитатора дыхания задает различные комбинации пневмотахограмм дыхания, и все дозирующие устройства (сброса ГДС, подачи С02 и Ы2) должны функционировать синхронно с ним. График изменения объемов газов при синусоидальной пневмотахограмме представлен на рис. 7.

Рис. 7. Изменение объемов газов в установке МЛ иа первом цикле вдоха-выдоха (режим 2): 1 - dV(t)!dt - синусоидальная пневмотахограмма дыхания; 2 - V(t) - спирограмма дыхания

Рис. 8. Характеристика изменения объемов газов, вдыхаемых из атмосферы

(режим 2, синусоидальная пневмотахограмма):

/ _ у*д • 2 - Ува ■ 3 - V

021

М2

УсО2(0) дм3 0.06 Ус02> дм3 Х10" " Уш, лм3 0.3 Угдс, ям3 0.3

0.05 6 0.25 0.25

0.04 5 4 0.2 0.2

0.03 3 0.15 0.15

0.02 2 0.1 0.1

0.01 1 . 0.05 0.05

0 0 0 0

\ ,

\

/У// \ Чг

./.'У

*

I, с

Рис. 9. Характеристика изменения объемов удаляемых и подаваемых в установку ИЛ газов (режим 2, синусоидальная пневмотахограмма): 1 - Кгдс - сбрасываемый объем ГДС; 2 - - объем подачи азота;

3 - Усо - объем дополнительной подачи СО;; 4 - [/со (0) - объем подаваемого С02

Рис. 10. Изменение скорости штока поршневого дозатора сброса ГДС на вдохе (режим 2) при:

1 — синусоидальной; 2 - треугольной; 3 - трапецеидальной пневмотахограммах

Анализ полученных характеристик изменения объемов газов, представленных на рис 8 и 9, показал: уменьшение концентрации С™ влечет за собой

увеличение подаваемых в ИЛ объемов диоксида углерода и азота, а ее увеличение - уменьшение данных объемов. Изменения скорости штока поршневого дозатора при реализации различных пневмотахограмм дыхания показаны на рис. 10. Из рисунков видно, что для реализации режима 2 поршневой дозатор сброса ГДС должен обладать максимальной скоростью перемещения штока не менее 10 см/с, ускорением - не менее 25 см/с2, а максимальным ходом штока -не менее 8 см.

Таким образом, из анализа статических и динамических характеристик установки ИЛ как объекта управления следует, что исследуемый объект обладает свойствами безинерционного нелинейного многомерного объекта, для реализации управления которым необходимо создать три контура управления: 1) сбросом ГДС; 2) дополнительной подачей диоксида углерода; 3) подачей азота. Управляющие сигналы контуров Хп, |1Ь ц2 способны реализовать все дыхательные режимы.

В четвертой главе «Оптимальное управление процессом имитации внешнего дыхания человека» рассматривается принцип работы системы управления, структурная схема которой приведена на рис. 11. Процесс функционирования системы разбивается на циклы. На каждом цикле осуществляется коррекция необходимых объемов сброса ГДС, подачи С02 и Ы2; и осуществляется прогнозирование состояния системы на определенный интервал времени Т.

Рис. 11. Структурная схема системы управления установкой «ИЛ»

На основании заданного режима испытаний (частоты п, глубины Ул и коэффициента дыхания Кд); вида пневмотахограммы ПТГ и потока 1УС02 (0), имитирующего выделение человеком диоксида углерода) и измеренных значений концентраций вдыхаемых газов С^ и С^ задающая подсистема формирует

в функции времени заданные значения объемов сброса ГДС УгдсО) и подачи

газов УщО).

Рассмотренные значения объемов газов и текущий вектор состояния системы (Хь Х2, Х3) используются в алгоритмах соответствующих подсистем управления для определения управляющих сигналов иь и2, щ исполнительными механизмами ИМ1, ИМ2, ИМЗ, непосредственно удаляющими ГДС и подающими С02 и Ы2.

где Д*(т),и(т),т) =

- нелинейная вектор-функция;

Исследована общая постановка задачи оптимального управления: пусть объект управления описывается векторным дифференциальным уравнением вида

Х(т) =ДХ(тУ, и{х), т); Х - (т = /„) = X(tu),

'/¡(ВД, щ{х), х) N f2(X2(х), и2(х), х) lf3(X3(x), щ(х), т),

Х(т) = [ОД, Х2(т), JG(t)]t - текущий вектор состояния управляемых подсистем; составляющими вектора Х^ являются Кгдс, 0, црег; составляющими вектора Х2 являются ГСо2 , Ц|рег; составляющими вектора Х3 являются VNi , ц2, д2рег-

Необходимо найти вектор управления и(т) = [г/,(т), и2{т), г/3(т)]т = = [^п(т), HiW, Цг(т)]т, доставляющий минимум критерию качества вида

>и+г

I= ¡Q(X(x),X3aa(x),u(x),x)dx^> min ,

u(i)eu„m

при выполнении ограничений на управление:

Х™п < Хп < Х™х ,\х\< X™*;

min ¿Hl^lmax, Ы^ДГ*;

И2тМ — М-2 — М-2тах>

где <2(Х(т), Х*д(т), и(т), т) - функция, характеризующая мгновенные потери качества на интервале Т.

Блок-схема алгоритма оптимального управления, обеспечивающего минимизацию ошибок воспроизведения заданных объемов газов и энергетических затрат представлена на рис. 12.

В работе предложены алгоритмы управления сбросом ГДС и подачей С02 и N2, рассмотрена реализация алгоритма управления на примере подсистемы сброса ГДС. Математическая модель объекта управления в соответствии имеет вид

dK

ГДС = Sn07tsin(27m/);

dt dB

— = 1/7^!(-0 + k^per), I 01< 0™*;

ф

per

dt

^п - *ГДС ISa-

Рис. 12. Блок-схема алгоритма управления

Минимизируемый критерий качества управления объектом принят в виде

<и+Т , >и+т

1=- / [а(Кгдс-^с)2+р(Кгдс)2]Л + - \(к-]и2+к-]и:ш)с1т.

Оптимальное управление определяется выражением

ИоЛ) = / фрег(гц)-

Прогнозирующая модель состоит из уравнений свободного движения объекта вида

с1У,

где _ Ог

= 5п0Л8т(27шО;

—— - 1 / ?ИМ1 + ^ИШМ-рег)' ах

Фрег _

(к

= 0

и уравнений чувствительности вида

(¡2Х1 (к = 8ак5т(2кт)22\

ЙК2 / Л = 1 / 7им1^2 + / Г1Ш1,

где г, = сН^щс/ с/црег, г2 = Й?0 / фрег, - функции чувствительности, из уравнения для частной производной функции Ляпунова вида

а/Л ((IV/ «V,) = а(кгдс г, - рКгдс^лзт^тш/^.

Структура интеллектуальной системы управления установкой строится по модульному принципу и включает модули обработки измерительной информации (МОИИ); модуль формирования команд управления линейными электрическими приводами и клапанами (МФКУ); модуль формирования параметров внешнего дыхания человека предназначен для задания величин: вид пневмо-тахограммы дыхания, легочная вентиляция IVЛ, дыхательный коэффициент Кл и частота дыхания п в соответствии с планом проведения экспериментов, который позволяет имитировать последовательность режимов работы человека (тяжелая работа, легкая работа и др.). При этом модуль представляется как детерминированная экспертная система, относящаяся к классу интеллектуальных информационных систем (МФПД); модуль, содержащий математические модели испытываемых ИДА (ММ ИДА); модуль оценки функционирования испытываемых ИДА (МОФ ИДА) и др.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Создана математическая модель внешнего дыхания человека, которая учитывает влияние различных психофизических состояний человека на параметры внешнего дыхания, пригодную для решения задачи оптимального управления.

2. Проведены исследования статических и динамических характеристик установки ИЛ, результаты анализа которых позволяют сделать выводы для принятия проектных решений при разработке системы управления.

3. Постановлена и решена задача оптимального управления процессом имитации внешнего дыхания человека. Результаты решения задачи позволяют выработать оптимальные управления исполнительными устройствами, обеспечивающих минимизацию ошибок воспроизведения заданных объемов газов и затрат энергии на управление.

4. Разработана структурная схема прогнозирующей системы управления процессом имитации внешнего дыхания в установке ИЛ.

5. Предложен алгоритм оптимального управления установкой ИЛ как нелинейным динамическим объектом, способного функционировать в реальном масштабе времени, а также реализованы алгоритмы оптимального управления подсистемами сброса ГДС и подачей С02 и 1Ч2.

6. Результаты исследований работоспособности алгоритмов управления и системы управления в целом показали устойчивую работу на всех дыхательных режимах и требуемую точность воспроизведения заданных объемов газов.

7. Разработана структура интеллектуальной системы управления установкой ИЛ, позволяющая задавать различные параметры дыхания при испытаниях широкой номенклатуры ИДА, с учетом различных психофизиологических состояний человека.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ:

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Погонин, В.А. Прогнозирующие алгоритмы управления динамическими объектами / A.M. Иванов, П.М. Оневский, A.A. Третьяков // Информационно-управляющие системы. - 2012. - № 1(56). - С. 27 - 32.

2. Иванов, A.M. Имитационное моделирование комплекса «Искусственные легкие» / A.M. Иванов, П.М. Оневский, A.A. Третьяков // Системы управления и информационные технологии. - 2011. - № 3. 1(45). - С. 143 - 146.

В других изданиях-.

3. Иванов, A.M. К вопросу моделирования процессов дыхания испытательного стенда «Искусственные легкие» / A.M. Иванов, A.A. Третьяков // Перспективы развития информационных технологий : материалы VI Междунар. науч.-практ. конф. - Новосибирск : «СИБПРИНТ», 2011.

4. Иванов, A.M. Исследование режимов функционирования испытательного стенда «Искусственные легкие» / A.M. Иванов, П.М. Оневский, A.A. Третьяков // Современные тенденции технических наук : материалы Междунар. заоч. науч. конф. - Уфа : «Молодой ученый», 2011. - С. 42 - 45.

5. Иванов, A.M. Повышение эффективности испытательных средств индивидуальной защиты органов дыхания на установке «Искусственные легкие» / В.А. Погонин, A.M. Иванов, A.A. Третьяков // Перспективы науки. - 2011. -№ 12(27).-С. 7- 12.

6. Иванов, A.M. Имитационное моделирование блока потребления кислорода / A.M. Иванов, П.М. Оневский // Теория и практика современной науки : материалы IV науч.-практ. конф. - М. : «Спецкнига», 2011.

7. Иванов, A.M. Постановка задачи оптимального управления испытательным комплексом «Искусственные легкие» / П.М. Оневский, А.Ю. Гадым-чук, A.M. Иванов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - Тамбов, 2012. - Т. 18, № 4. - С. 967 - 972.

8. Математическое моделирование дыхания человека / В.А. Погонин, A.M. Иванов, П.М. Оневский, Е.В. Шишов // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - Тамбов. - Т. 18, № 4. - С. 973 - 980.

Подписано в печать 29.05.2013. Формат 60 х 84/16. 0,93 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 276

Издательско-полиграфический центр ФГБОУ ВПО «ТГТУ» 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, к. 14

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет»

04201359813

ах рукописи

ИВАНОВ Андрей Михайлович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ИМИТАЦИИ ДЫХАИЯ ЧЕЛОВЕКА

Специальность 15.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Диссертация

на соискание ученой степени Кандидата технических наук

научный руководитель: д.т.н., профессор Погонин В. А.

Тамбов- 2013

ВЕДЕНИЕ....................................................................................................................3

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ИМИТАЦИИ ДЫХАНИЯ ЧЕЛОВЕКА........................................................................................10

1.1 Описание системы «человек - ИДА - окружающая среда».............10

1.2 Технология испытаний СИЗОД..............................................................19

1.3 Анализ современного состояния в области математического моделирования внешнего дыхания человека..........................................27

1.4 Системы управления установками ИЛ....................................34

1.5 Постановка цели и задачи исследования.................................40

2МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА

ДЫХАНИЯ ЧЕЛОВЕКА........................................................................................41

2.1 Анализ процесса газообмена...................................................................41

2.2 Математическое описание процесса как объекта управления ... 44

3 ИМИТАЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В УСТАНОВКЕ ИЛ.............................................................53

3.1 Имитационные исследования статических характеристик.........53

3.2 Имитационные исследования динамических характеристик......61

3.3 Аналез полученных результатов............................................................69

4 ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ИМИТАЦИИ ВНЕШНЕГО ДЫХАНИЯ ЧЕЛОВЕКА..............................................................71

4.1 Структура и принцип работы прогнозирующей системы управления...........................................................................................................71

4.2 Постановка задачи оптимального управления.................................75

4.3 Выбор и обоснование метода оптимального управления процессом дыхания в установке «Искусственные легкие»................79

4.4 Алгоритм оптимального управления...................................................82

4.5 Реализации алгоритмов оптимального управления........................82

4.5.1 Реализация алгоритма управления сбросом ГДС.....................82

4.5.2 Реализация алгоритмов управления подачей С02 и N2.............84

4.6 Исследование прогнозирующей системы управления...................86

4.7 Разработка интеллектуальной системы управления

ПРОЦЕССОМДЫХАНИЯ В УСТАНОВКЕ «ИСКУССТВЕННЫЕ ЛЕГКИЕ».................93

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................101

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ......103

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................................................................................................114

ВВЕДЕНИЕ

Средства индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД) - это используемые человеком технические устройства, обеспечивающие защиту организма от вредных и опасных факторов, воздействующих ингаляционно и используемые в экстремальных ситуациях и различных областях жизнедеятельности человека [1, 2]. В зависимости от конструктивного исполнения СИЗОД разделяют на респираторы, противогазы, самоспасатели.

В соответствии с ГОСТ 12.4.034-2001 в зависимости от принципа действия СИЗОД классифицируются на фильтрующие и изолирующие дыхательные аппараты (ИДА) [3].

Фильтрующие СИЗОД используют фильтры, сорбенты и поглотители для очистки окружающего человека воздуха от вредных веществ. Такие СИЗОД обеспечивают эффективную очистку вдыхаемого человеком воздуха и просты в эксплуатации, поэтому они наиболее широко распространены в промышленности. Вместе с тем их недостатком является ограниченная область их применения, что связанно с необходимостью знания состава воздуха рабочей зоны и наличием в нем не менее 17% кислорода. При невыполнении этих условий используются изолирующие СИЗОД.

Изолирующие СИЗОД применяются независимо от состава окружающего человека воздуха. Однако из них только шланговые СИЗОД, которые отличаются относительной простотой в эксплуатации, получили распространение при выполнении обычных технологических операций. Недостатком шланговых СИЗОД является ограниченность передвижения пользователя длиной шланга. Автономные дыхательные аппараты лишены этого недостатка, однако, они более сложны в обращении и требуют высокой квалификации персонала. Они используются, главным образом, работниками специализированных служб при проведении аварийно-спасательных и восстановительных работ.

Для оценки качества (время защитного действия, сопротивление

дыханию, температура газо-воздушной смеси), а также при создании новых СИЗОД, используются специально предназначенные для этого динамические испытательные установки, имитирующие дыхание человека. Такие системы имитации дыхания человека в литературе получили название установки «Искусственные легкие» (ИЛ) [1,3]. Данные установки позволяют исключить проведение испытаний на людях, с целью определения вышеописанных параметров, поскольку они мало объективны, не воспроизводимы вследствие различной физической тренированности, различного метаболизма, а также в ряде случаев опасны. [4]

Согласно п. 14 Положения «Основ государственной политики в области обеспечения химической и биологической безопасности РФ», основными задачами в области развития фундаментальной науки является разработка и внедрение систем индивидуальной защиты человека и разработка специальных медицинских средств защиты и лечения, что входит в перечень критических технологий РФ. Развитие технологии защиты людей от ингаляционных поражений в чрезвычайных ситуациях, а также разработка новых и совершенствование существующих средств индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД) невозможны без проведения испытаний средств защиты в реальных условиях [4].

Оценивать и испытывать СИЗОД возможно двумя способами:

• Испытывать с привлечением добровольцев;

• Испытывать с применением систем имитации дыхания человека -установок ИЛ.

Поскольку проведение испытаний СИЗОД на людях-добровольцах в силу ряда причин возможно лишь в ограниченном объеме, применение установок ИЛ позволяет получить данные об особенностях поведения СИЗОД во всех интересующих исследователей условиях, а также существенно уменьшить, а то и полностью исключить испытания СИЗОД на людях. Испытания с привлечением добровольцев являются малоэффективными и дорогостоящими,

11

I !'

а также не достаточно объективными, вследствие отсутствия возможности точного воспроизводства условий испытаний, а также значительного влияния на результат испытания антропометрических характеристик испытателя, посредством влияния на параметры дыхания испытателя [1,3].

В целом, воспроизводство параметров внешнего дыхания при помощи систем имитации дыхания человека является крайне важным для выполнения задач по сертификации и периодических испытаний, существующих СИЗОД (самоспасателей, изолирующих дыхательных аппаратов), а так же для качественной разработки новых СИЗОД и специальных медицинских средств (устройств искусственной вентиляции легких, медицинских генераторов кислорода и др.) [8].

В настоящее время установки ИЛ является основным инструментом для определения характеристик СИЗОД, что не требует привлечения людей-добровольцев [4,8,9].

Одним из недостатков существующих зарубежных и отечественных установок ИЛ является невозможность изменения формы дыхательной кривой, что не позволяет имитировать дыхание человека при различных психофизиологических состояниях. Психофизиологические состояния человека определяют такие важные параметры дыхания человека как частота дыхания, глубина дыхания, форма дыхательной кривой дыхания. Так же следует отметить невозможность реализации математическим и программным обеспечением систем управления установок дыхательногокоэффициэнта отличного от 1, так как изменение физической нагрузки приводит к изменению данного коэффициента от 0,5 до 1.2. [16-18].

Новые российские стандарты на СИЗОД и их элементы, соответствующие Европейским стандартами в рамках новой Концепции национальной системы стандартизации, требуют переоснащения, сертификационных испытательных центров и производственных лабораторий, осуществляющих контроль за серийной продукцией [16]. Это определяет актуальность нахождения

I

ц

V I *

V И I,

оптимальных режимов функционирования комплекса ИЛ и разработки эффективных системы управления данным комплексом на основе использования методов математического моделирования. Эта задача требует проведения комплексных научных исследований, основанных на методах имитационного моделирования и оптимального управления.

Существующие математические модели дыхания человека не учитывают большую часть факторов влияющих на дыхание (сопротивление дыханию, давление и температура окружающей среды, психофизиологическое состояние и др.) поэтому их использования для целей исследования процесса дыхания и в составе системы управления установкой ИЛ нецелесообразно.

Цель научного исследования: повышение эффективности процесса проведения испытаний СИЗОД на установках ИЛ в различных режимах функционирования

Для достижения цели работы поставлены и решены следующие задачи:

• разработать математическую модель внешнего дыхания человека пригодную для решения задачи оптимального управления, учитывающую различные психофизиологические состояния человека

• провести имитационные исследования

• поставить задачу оптимального управления процессом имитации внешнего дыхания человека;

• разработать интелектуальную систему управления.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы методы системного анализа, математического моделирования, современной теории автоматического управления, оптимального управления.

Научная новизна работы. Разработана математическая модель внешнего дыхания человека, учитывающая различные психофизиологические состояния человека.

Поставлена задача оптимального управления испытательной установкой

ИЛ.

Предложен алгоритм решения задачи оптимального управления процессом имитации внешнего дыхания человека на установке ИЛ.

Разработан прогнозирующий алгоритм управления установкой ИЛ, позволяющий минимизировать ошибки воспроизведения заданных объемов газов.

Разработана структура интеллектуальной системы управления установкой ИЛ

Практическая ценность. Разработан комплекс программ для проведения имитационных исследований процесса имитации внешнего дыхания человека на установке ИЛ при проведении испытаний СИЗОД; предложена методика разработки алгоритмического обеспечения систем имитации внешнего дыхания человека; результаты решения задачи оптимального управления позволяют использовать их при принятии проектных решений о выборе класса системы управления ее структуры и параметров. Результаты выполненных в работе исследований внедрены в учебный процесс на кафедре ИПУ ФГБОУ ВПО «ТГТУ» для студентов, обучающихся по направлениям 220200, 220400..

Реализация работы. Программное обеспечение после экспериментальной эксплуатации принято к использованию в испытательном центре «СПИРОТЕХНОТЕСТ» ОАО «Корпорация «Росхимзащита» в г. Тамбове, а также полученные результаты используются в ОАО «ЭНПО «Неорганика» и ОАО «ЭХМЗ» г. Электросталь.

Апробация работы. Основные результаты работы представлялись и обсуждались на всероссийских и международных научных конференциях: IV научно-практической конференции «Современные тенденции технических наук» (Уфа, 2011); VI Международной научно-практической конференции «Перспективы развития информационных технологий» (Новосибирск 2011);

IV Международной научно-практической конференции «Теория и практика современной науки» (Москва, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 8 печатных работ, 3 из которых в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации; определена цель и сформулированы задачи исследований; раскрыты научная новизна и практическая значимость; приведены результаты апробации работы; сформулированы результаты исследований, выносимые на защиту

В первой главе рассмотрены принципы процессов проведения испытаний СИЗОД; определены процессы и факторы, влияющие на качественные показатели процесса испытаний. Приведено описание существующих систем и алгоритмов управления, рассмотрены критерии оптимальности режимов работы установки «Искусственные легкие», дана характеристика методов решения задач оптимального управления.

Во второй главе проведен анализ процесса газообмена при внешнем дыхании человека, представлено математическое описание процесса имитации внешнего дыхания как объекта управления. Описанны зависимости позволяющие разработать математическую модель внешнего дыхания человека, описывающую динамические процессы в ИЛ, имитирующие различные пневмотахограммы дыхания, уровни потребления кислорода, что обусловлено различными психофизиологическими состояниями человека.

В третьей главе рассмотрены статические и динамические характеристики установки как объекта управления, используя его математическую модель имитации. Исследования проведены для определения чувствительности выходных параметров процесса имитации дыхания на изменение входных, а также для определения возможных диапазонов изменения управляющих воздействий и возможных компенсаций

возмущающих воздействий при реализации всей совокупности дыхательных режимов, используемых при испытаниях СИЗОД.

В четвертой главе рассматривается принцип работы системы управления, рассмотренны значения объемов газов и текущий вектор состояния системы использующиеся в алгоритмах соответствующих подсистем управления для определения управляющих сигналов исполнительными механизмами, непосредственно удаляющими ГДС и подающими СОг и N2. Исследована общая постановка задачи оптимального управления, предложены алгоритмы управления сбросом ГДС и подачей СО2 и N2, рассмотрена реализация алгоритма управления на примере подсистемы сброса ГДС, разработана сруктура интеллектуальной системы управления установкой ИЛ.

В разработанной двухуровневой системе управления верхний уровень управления предполагает наличие РС совместимого компьютера и реализованного на нем пульта оператора с использованием БСАБА - системы. Нижний уровень управления составляют современные микропроцессорные контроллеры.

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ

МОДЕЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ РОЦЕССОМ ИСПЫТАНИЯ СИЗОД ИЗОЛИРУЮЩЕГО ТИПА

1.1 Описание системы «человек - ИДА - окружающая среда»

Фундаментальной функцией жизнедеятельности человека является его дыхание, которое представляет собой сложный непрерывный биологический процесс, результатом которого является потребление кислорода и выделение углекислого газа. Эту деятельность организма можно представить в виде двух основных процессов: 1) внешнее дыхание (обмен воздуха между внешней средой и легкими - легочная вентиляция); 2) внутренне дыхание (диффузия газов через альвеоло-капиллярную мембрану, транспорт газов кровью, диффузия газов через стенки сосудов микроциркуляции в различных тканях, тканевое дыхание) [17,19,20]

Так как при испытаниях СИЗОД учитывается только прцесс обмена газовоздушной смеси (ГДС) между легкими человека и изолирующим дыхательным аппаратом (ИДА) в дальнейшем будем рассматривать именно внешнее дыхание человека.

Рассмотрим внешнее дыхание человека и факторы, влияющие на него с целью создания адекватной модели внешнего дыхания человека.

V

> 1

Внешнее дыхание человека - это ряд физиологических процессов, с помощью которых осуществляется транспорт газов из легких, а именно альвеолярного пространства. Данные процессы характеризуются рядом параметров таких как: глубина дыхания; частота дыхания; объем выделенного диоксида углерода; объем поглощенного кислорода и форма кривой дыхания [18,20, 22].

Проанализировав ряд факторов [13,17,18,20,21] влияющих на изменение параметров внешнего дыхания человека, условно разделим две группы:

1. Факторы, воздействие которых связано с изменением внутреннего дыхания и, как следствие, внешнего дыхания, а именно воздействие нагрузки, изменения психофизиологического состояния (испуг, эйфория и т.д.). Все эти факторы влияют на внутренний метаболизм и, соответственно, на внешнее дыхание, призванное обеспечить должный газообмен между атмосферой и организмом человека.

2.