автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка конструкции и алгоритмов управления электроприводом клапана выдоха аппарата ИВЛ

На правах рукописи

Маргацкая Елена Александровна

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ КЛАПАНА ВЫДОХА АППАРАТА ИВЛ

Специальность 05.09.03 — «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

9 СЕН 2015

Челябинск - 2015

005562061

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «ЮжноУральский государственный университет» (национальный исследовательский университет)на кафедре электромеханики и электромеханических систем

Научный руководитель- доктор технических наук, профессор

Воронин Сергей Григорьевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Букреев Виктор Григорьевич ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», профессор кафедры электропривода и электрооборудования;

кандидат технических наук, доцент Афанасьев Юрий Викторович

ФГБОУ ВПО«Уфимский государственный авиационный технический университет», доцент кафедры электромеханики.

Ведущее предприятие- Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский Федеральный Университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина».

Защита состоится «09»октября 2015 г., в 10:00 часов, на заседании диссертационного совета Д212.298.05 при ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76, ауд. 1007.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «ЮжноУральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) и на официальном сайте ЮУрГУ по адресу:

http://www.susu.ac.ru/ru/dissertation/d-21229805/margackaya-elena-aleksandrovna

Автореферат разослан «j ( »дёгиета.2015 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76, гл. корпус, Ученый совет ЮУрГУ, тел./факс: (351) 267-91-72.' Email: grigorevma@susu.ac.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.298.05, доктор технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Аппараты искусственной вентиляции легких (ИВЛ) - это технические устройства, осуществляющие воздухообмен в дыхательных путях организма. Согласно общему принципу работы, требуемое количество газовой смеси формируется в дозиметре вентилятора, при необходимости насыщаясь анестетиком, и поступает в дыхательный контур, где с помощью клапанов вдоха и выдоха осуществляется предписанное однонаправленное движение дыхательной смеси.

В современной практике ИВЛ особое значение и повсеместное использование приобрел метод поддержания положительного давления конца выдоха (PEEP), суть которого заключается в том, что в конце выдоха (после принудительного или вспомогательного вдоха) давление в дыхательных путях не снижается до нулевого уровня, а остается выше атмосферного на определенную величину, установленную врачом. Применение умеренного уровня PEEP показано всем больным, которым проводится ИВЛ, даже при отсутствии явной патологии легких, поскольку позволяет предупредить нарушение газообмена в легких и улучшить распределение подаваемого газа по легочным полям.

PEEP как опция встраивается в различные режимы ИВЛ и наиболее эффективно достигается при управлении положением мембраны экспираторного клапана (клапана выдоха) с использованием приводных механизмов. В современных аппаратах ИВЛ большое значение приобрел так называемый активный клапан выдоха, который предназначен не только для прецизионного поддержания заданного давления в дыхательных путях, но в то же время способен обеспечивать возможность контроля над спонтанными дыханиями пациента.

Очевидно, что для поддержания PEEP привод экспираторного клапана должен незамедлительно, с максимально возможной точностью отрабатывать заданный режим как при переключении фаз дыхательного цикла, так и при синхронизации аппарата ИВЛ с попытками самостоятельной дыхательной активности пациента. Таким образом, тема разработки конструкции и алгоритмов управления быстродействующим клапаном выдоха актуальна и является частью научной проблемы повышения надежности и безопасности средств реабилитационной техники, решение которой имеет большое научное и практическое значение.

Степень научной разработанности проблемы. В области разработки и анализа конструктивного исполнения линейных двигателей большой вклад в развитие теории внесли известные отечественные (Вольдек А.И., Свечарник Д.В., Веселовский О.Н., Коняев А.Ю., Сарапулов Ф.Н.) и зарубежные (Wang J., Jewell Geraint W„ Howe D.) ученые. Однако, в контексте использования двигателя в качестве приводного механизма элементов медицинской техники, требуется решение задачи выбора конструктивных параметров линейного двигателя с возбуждением от постоянных магнитов для достижения максимального быстродействия устройства.

В области разработки интеллектуальных систем, в частности, построенных на алгоритмах нечеткой логики, для управления технологическими процессами посвящены работы многих ученых (D. Nguyen, H. Scharf, N. Mandic, T.J. Procyk,

Ь.А. 2а<1еН, Васильев В.И., Батыршин И.З. и др.), которые доказывают как практическую ценность, так и перспективны использования данного подхода. Тем не менее, известные результаты являются скорее объектно-ориентированными, направленными на решение конкретной технической задачи. Поэтому, учитывая преимущества нечеткой системы управления, к основным из которых относится простота реализации при возможности достижения требуемого качества регулирования выходной координатой объекта, в качестве одного из направлений настоящего исследования выступает создание методики синтеза регулятора на базе нечеткой логики для управления положением электроприводов постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов как класса электромашин.

Объект исследования- электропривод клапана выдоха аппарата ИВЛ с линейным двигателем постоянного тока.

Предмет исследования-методы синтеза системы управления положением электропривода с линейным двигателем постоянного тока.

Цель и задачи работы. Целью работы является разработка конструкции и алгоритмов управления электроприводом клапана выдоха (ЭКВ) аппарата ИВЛ.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- разработка методики расчета оптимальной по быстродействию конструкции ЭКВ;

- исследование оптимальной конфигурации и оценка возможности применения магнитоэлектрического и оптического датчиков положения как информационных элементов системы управления ЭКВ для повышения точности позиционирования при измерении малых линейных перемещений;

- синтез системы управления, обеспечивающей высокие показатели точности позиционирования и быстродействия ЭКВ;

- практическая разработка систем управления ЭКВ и экспериментальное исследование теоретических результатов.

Научная новизна:

1. Из условия обеспечения максимального быстродействия электротехнического комплекса при ограничении на массогабаритные показатели и потребление энергии разработана методика оптимизации конструктивных параметров ЭКВ на основе линейного двигателя постоянного тока, отличающаяся тем, что в качестве критерия оптимальности применяется быстродействие устройства, а поиск экстремума основан на использовании генетического алгоритма.

2. Разработана математическая модель оптического датчика положения как информационного элемента системы управления ЭКВ, позволяющая расширить диапазон линейных характеристик датчика с целью повышения точности позиционирования и улучшения динамических свойств привода.

3. Предложена новая методика синтеза регулятора положения ЭКВ на базе нечеткой логики, отличающийся тем, что в процессе формирования управляющих воздействий используется информация о текущей скорости рабочего органа и его ошибки по положению, и позволяющая достичь инвариантности регулируемой величины к изменениям параметров математической модели электромеханического устройства в целом.

4. Аналитически доказана возможность обеспечения гиперустойчивости для системы третьего порядка с рассматриваемой структурой с нечетким регулятором, разработанным по предложенной методике.

Практическое значение работы заключается в следующем:

- разработаны рекомендации по повышению линейности выходной характеристики датчика Холла без использования дополнительных технических средств путем изменения конфигурации его сигнального элемента, что позволяет повысить точность позиционирования электропривода при измерении малых линейных перемещений;

- разработаны рекомендации по повышению линейности выходной характеристики оптического датчика без использования дополнительных технических средств путем изменения взаимного расположения оптических элементов;

- созданы опытные образцы электропривода клапана выдоха на базе линейного двигателя постоянного тока, обеспечивающие высокие показатели регулирования экспираторного потока при проведении искусственной вентиляции легких.

Результаты диссертационной работы при поддержке: Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере в рамках программы «УМНИК» (номер госконтракта498ГУ 1/2013);министерства образования и науки Челябинской области (приказ №01/2280 от 02.07.2013);Правительства РФ (приказ министерства образования и науки РФ №1434 от 10.11.2014) были приняты к внедрению в ОАО «Уральский оптико-механический завод» имени Э. С. Яламова (г. Екатеринбург), ОАО «МиассЭлек-троАппарат» (г. Миасс); ООО «Тритон-Электронике» (г. Екатеринбург).

Методы исследования. Для решения поставленных задач применялась теория автоматического управления, теория интеллектуальных систем управления, теория электропривода, теория гиперустойчивости, теория оптимизации, методы математического моделирования на ПК с использованием программных пакетов Matlab для имитационного моделирования систем управления, Mathcad для численного доказательства основных положений теории гиперустойчивости системы с нечетким регулятором, Maxwell Ansoft для исследования электромагнитных полей методом конечных элементов, язык программирования Delphi для аналитического расчета выходной характеристики оптического датчика.

Достоверность результатов подтверждается корректным использованием математических моделей, методов и общепринятых допущений, результатами экспериментальных исследований опытных образцов ЭКВ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика оптимизации конструктивных параметров ЭКВ с точки зрения достижения минимального времени переходного процесса перемещения рабочего органа привода с использованием генетического алгоритма в качестве метода оптимизации.

2. Математическая модель оптического датчика как информационного элемента системы управления электроприводом и рекомендации по повышению линейности его выходной характеристики без использования дополнительных технических средств.

3. Методика синтеза регулятора положения ЭКВ на базе нечеткой логики, позволяющая реализовать высокое качество регулирования проходного отверстия в линии выдоха пациента, и доказательство гиперустойчивости разработанной системы управления.

4. Экспериментальные исследования разработанного ЭКВ, практическое доказательство адекватности используемых математических моделей и теоретических результатов.

Апробация работы. Основные положения исследования рассматривались и обсуждались на 3-й Всероссийской научно-практической конференции «Разработки Российской Федерации по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники» (Челябинск, 2013 г.), VIII-й Международной молодежной научной конференции «Тинчуринские чтения» (Казань, 2013 г.), Девятой международной научно-технической конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2014» (г. Иваново, 2014 г.), на Научных конференциях аспирантов и докторантов ЮУрГУ (2013-2015 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе в журналах, рекомендованных ВАК, -3 статьи, в журналах, включенных в базу Scopus, - 1 статья. Получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. Поданы 2 заявки на патенты («Электропривод клапана выдоха аппарата искусственной вентиляции легких» и «Малогабаритный датчик миллиметровых перемещений объекта»).

Личный вклад автора состоит в формулировании и доказательстве научных положений, непосредственном участии на всех этапах исследовательского процесса, получении теоретических и экспериментальных данных, разработке опытного образца ЭКВ, проведении лабораторных испытаний.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложения, содержит 143 страницы машинописного текста, 77 рисунков, 4 таблицы, список используемой литературы из 112 наименований.

Соответствие научной специальности: исследование, проводимое в рамках диссертационной работы, полностью соответствует формуле и пп. 1 и 3 области исследования, приведенной в паспорте специальности 05.09.03.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи, определены методы исследования, научная новизна и практическая значимость, приведены основные положения, выносимые на защиту, представлены сведения об апробации результатов и публикациях по теме исследования.

Первая глава посвящена принципам построения аппаратов ИВЛ, обзору существующих технических решений реализации клапанов выдоха и анализу их функционального назначения в составе аппарата, на основе которого формулируются основные требования к данному типу устройств. Так, клапан выдоха как электромеханическое устройство в совокупности с системой управления должен обеспечивать максимальное быстродействие и точность позиционирования при минимальных габаритных размерах привода и электронного узла, обладать не-

6

высоким энергопотреблением при питании от автономного источника. Система управления, в частности, должна обеспечивать требуемое усилие герметизации клапана и поддерживать требуемое давление максимально постоянным при любом характере нагрузки, обладать инвариантностью к возможным изменениям параметров объекта.

Для исследования принят электропривод с линейным двигателем постоянного тока и микропроцессорным управлением, который должен отвечать сформулированным требованиям. Учитывая специфику настоящего исследования, следует отметить, что не существует общих методов и рекомендаций проектирования и управления данным типом клапанов. Поэтому в рамках решения научной проблемы повышения надежности и безопасности средств реабилитационной техники необходима разработка конструкции и алгоритмов управления электроприводом клапана выдоха аппаратов ИВЛ.

Вторая глава посвящена постановке и решению задачи оптимизации конструкции ЭКВ с точки зрения достижения максимального быстродействия устройства. Выбор быстродействия в качестве критерия оптимальности обусловлен функциональным назначением устройства в составе аппарата ИВЛ, которое заключается в незамедлительной отработке управляющего воздействия как при переключении фаз дыхательного цикла, так и при попытке спонтанного дыхания пациента.

Рис. 1. Принципиальная модель ЭКВ (1 - корпус, 2 - ферромагнитная вставка,3 - крышка, 4 - выходной шток, 5 - диэлектрический якорь, 6 - обмотка, 7 - постоянный магнит)

Конструкция ЭКВ, предлагаемого к рассмотрению в настоящем исследовании (рис. 1), представляет собой магнитопровод, выполняющий роль корпуса, в основании которого размещен постоянный магнит цилиндрической формы. В корпусе располагается диэлектрический якорь с обмоткой, совершающей поступательное движение вдоль ферромагнитной вставки. Выходной шток закреплен в верхнем основании якоря и предполагает крепление к мембране, осуществляющей регулирование проходного отверстия в линии выдоха пациента.

С точки зрения технологических возможностей в качестве основных технических требований, предъявляемых к рассматриваемым устройствам, назна-

2

5

чены: точность позиционирования порядка 0,05 мм при диапазоне перемещения 4 мм, питание от автономного источника постоянного тока напряжением 24 В, минимальные массогабаритные показатели при усилии герметизации клапана 2,5 Н, время позиционирования может быть принято на уровне не более 50 мс, режим работы продолжительный, рабочее положение в пространстве - произвольное.

Задача оптимизации устройства формулируется следующим образом: требуется найти такие параметры элементов конструкции, как высота и диаметр магнита, длина и высота обмотки, на множестве допустимых решений, которым соответствует минимальное значение времени позиционирования при ограничениях на массогабаритные показатели и величины плотности тока.

Содержание и последовательность процедур расчета вариантов конструкции ЭКВ определяются его математической моделью, которой в данном случае является совокупность формул электромагнитного расчета и включает следующие основные блоки: расчет постоянного магнита для определения индукции в воздушном зазоре, определение обмоточных данных, расчет магнитной цепи для контроля величины магнитной индукции в наиболее насыщенных участках, расчет силы тяги электромагнитной системы и оценка времени переходного процесса устройства, которая проводится на основании уравнения для переходного тока:

ЬякФ-(Р2-Р1) v ' кФ кФ

где pi2 - корни характеристического уравнения ТмТяр + Тмр + 1 = 0, где Тмя Тя- электромеханическая и электромагнитная постоянные времени ЭКВ соответственно, которые определяют вид переходного процесса, Ья - индуктивность обмотки якоря, Fc - сила сопротивления, к - конструктивный коэффициент, Ф -поток в воздушном зазоре, U - напряжение питания обмотки якоря. Следовательно, в качестве целевой функции, нахождение минимума которой соответствует достижению максимального быстродействия устройства, целесообразно использовать наименьший по модулю корень характеристического уравнения:

5

Pz —-; =—> min.

-Тм+Ы~4ТмТя

2ТМТЯ

В ходе исследования установлено, что вид целевой функции в зависимости от параметров независимых переменных носит существенно нелинейный характер с многочисленными точками локальных экстремумов, что позволяет ориентироваться преимущественно на стохастические методы оптимизации и, в частности, применить генетический алгоритм для решения поставленной задачи.

Результаты проведенной оптимизации позволяют заключить, что для достижения максимального быстродействия устройства диаметр постоянного магнита следует увеличивать до максимально допустимых значений, длину обмоточного слоя устремить к минимуму ввиду того, что она оказывает слабое влия-

ние на производительность машины, при этом высоту обмотки и высоту магнита установить в некотором промежуточном значении с тем, чтобы плотность тока не превышала заданной величины. Полученные выводы и корректность разработанной математической модели подтверждены при выполнении поверочного расчета методом решения полевой задачи в трехмерном объеме ЭКВ.

Третья глава посвящена исследованию повышения линейности выходной характеристики датчика Холла и оптического датчика в качестве информационного элемента ЭКВ без использования дополнительных технических средств. Требование линейности обусловлено необходимостью обеспечения достаточно высокой точности позиционирования ЭКВ при практической реализации, когда задание выходной характеристики датчика возможно либо в виде аналитической зависимости, что является достаточно затруднительным и может привести к объемным вычислительным затратам, либо как функции кусочно-линейной аппроксимации, что в случае существенной нелинейности характеристики может привести к значительно потере точности.

Методом расчета полевой задачи в программном пакете Maxwell проведен анализ влияния формы и размеров сигнального элемента датчика Холла на вид его выходной характеристики. Выявлены основные закономерности для повышения линейности выходной характеристики датчика Холла посредством изменения конфигурации сигнального элемента. Установлено, что максимально линейный характер выходная характеристика датчика приобретает при использовании магнита цилиндрической формы с вырезом параболической формы в его основании. Показано, что при проектировании следует избегать расположения датчика вблизи предполагаемых источников электромагнитных помех, что является затруднительной задачей в рамках ограниченного пространства для установки датчика, поэтому датчик Холла не может быть принят в качестве оптимального технического решения для реализации обратной связи по положению ЭКВ.

Решение задачи достижения максимальной линейности выходной характеристики оптического датчика в требуемом диапазоне заключается в определении соответствующего взаимного расположения элементов системы приемник-излучатель. В качестве исследуемых параметров, непосредственно влияющих на выходной результат, выступают межцентровое расстояние S, угол наклона излучателя Р и угол наклона приемника у (рис. 2).

Для определения выходной характеристики оптического датчика разработана математическая модель системы излучатель-приемник, которая основана на расчете значения интенсивности на выходе приемника Lj при каждом шаге перемещения hn :

п

Lj= £Lli'hi> i — 1

где Ьц— интенсивность z'-го луча, испускаемого излучателем, ¿¿г - интенсивность г-го отраженного от объекта луча, п - количество лучей из пучка света излучателя. Величина Ьц зависит от угла излучения a, a L21 в свою очередь опре-

деляется углом падения ап на собирающую линзу приемника, при этом зависимости ¿](а.)и¿2(о.п), как правило, заранее известны из соответствующей документации к оптическим элементам. Таким образом, в основе расчета выходной характеристики оптического датчика лежит расчет угла ап, который основывается на определении точки пересечения хпер отраженного луча с поверхностью линзы фототранзистора, представляющую собой полусферу с некоторым радиусом Я:

ап= arctg

лтах хпер) +(Утах Упер)'

R

где хтах, утах- координаты точки на поверхности приемника, через которую условно проходит осевая линия. Основные соотношения математической модели представляют собой формулы расчета координат основных точек геометрической системы излучатель-приемник (рис. 2) на основе законов геометрической оптики. Адекватность разработанной модели подтверждается идентичностью расчетной и паспортной выходных характеристик серийно изготавливаемого датчика hsdl-9100-021.

Рис. 2. Геометрическая модель системы излучатель-приемник

На основе разработанной модели, расчет которой реализован в программном пакете Delphi, выявлены закономерности для повышения линейности выходной характеристики оптического датчика посредством изменения геометрии взаимного расположения системы излучатель-приемник без дополнительных технических средств: увеличение S приводит к смещению максимума характеристики в положительную сторону по оси расстояния до объекта и в то же время к уменьшению диапазона выходного напряжения датчика и снижению его чувствительности при малых расстояниях, изменение угла наклона излучателя носит обратный характер влияния на выходную характеристику датчика, а измене-

ние угла наклона приемника значительно ухудшает диапазон выходного напряжения и в целом вносит существенные нелинейности.

Установлено, что линейности выходной характеристики оптического датчика можно добиться лишь в некотором диапазоне, увеличение которого в свою очередь приводит к ухудшению чувствительности датчика при малых перемещениях. Однако, оптический датчик инвариантен к электромагнитным помехам, что дает ему весомое преимущество при использовании в малогабаритных электромеханических системах в сравнении с другими типами датчиков.

В четвертой главе в рамках решения задачи управления положением ЭКВ с высокой точностью позиционирования и быстродействием получены основные соотношения для параметров регуляторов классических систем управления: одноконтурной с ПИД регулятором, трехконтурной системы подчиненного регулирования, трехконтурной системы с параболическим регулятором положения, системой с модальным законом управления.

В основе структурной схемы ЭКВ используется модель двигателя постоянного тока независимого возбуждения при постоянном потоке как аналогичного по принципу действия рассматриваемой конструкции линейного двигателя постоянного тока с учетом таких факторов, как: действие силы сопротивления, под которой понимается давление в линии выдоха пациента; действие демпферной силы от установки подшипниковой втулки из антифрикционного материала с использованием смазочного вещества; действие силы упругости при деформации мембраны; учет потерь энергии от вихревых токов в качестве составляющей коэффициента демпфирования (установлено, что при управлении посредством двухтактной нереверсивной схемы потери составляют не более 2,08% от потребляемой мощности).

Из синтезированных систем управления наиболее высокими показателями качества при отработке задающего воздействия обладает система с параболическим регулятором положения, закон изменения передаточного коэффициента которого определяется как:

где крпЛ1 — коэффициент регулятора положения при настройке контура на МО, Дхгр — граничное рассогласование перемещения.

В режиме позиционирования все из рассчитанных систем допускают появление отклонения от требуемого положения при мгновенном изменении силы сопротивления. Подобное поведение систем объясняется наличием в синтезированных регуляторах интегрирующего звена, которое выходит на новую рабочую точку со скоростью, определяемой постоянной интегрирования. Для системы с модальным законом управления характерно наличие статической ошибки под действием сил сопротивления и, как известно, подобные системы отличаются чувствительностью к изменениям параметров объекта. Поэтому с точки зрения повышения надежности и безопасности средств реабилитационной техники ни одна из рассмотренных класагческих систем управления не может быть опреде-

лена в качестве оптимальной для решения поставленной задачи управления ЭКВ.

Пятая глава посвящена разработке методики синтеза регулятора положения ЭКВ на основе алгоритма нечеткой логики, которая позволяет исключить недостатки, присущие классическим системам управления, и проводится доказательство устойчивой работы системы управления с нечетким регулятором (НР).

В качестве управляемых координат НР назначены величина ошибки по положению ¿¡хп и скорость V выходного штока ЭКВ. По принципу действия устройства выходной координатой НР выступает величина напряжения, подаваемого на обмотку клапана, которая может быть трансформирована в величину скважности у импульсов для реализации ШИМ-управления согласно принятой схеме. С точки зрения теории нечетких множеств каждая из двух входных и выходная переменная регулятора рассматривается как лингвистическая переменная, принимающая 7 возможных значений (термов) (Ж - большая отрицательная, ИМ - средняя отрицательная,..., РЬ - большая положительная). Каждому терму отдельной входной переменной ставится в соответствие функция принадлежности, которая представляет степень принадлежности каждого члена пространства рассуждения к данному нечеткому множеству и получена как результат экспертной настройки (треугольные функции).

Основу синтеза нечетких алгоритмов управления составляет база знаний, формируемая в виде совокупности нечетких правил, которые принимают вид:

Щ : ЕСЛИ Ахп = Аи И V = Аа, ТО у = В1, где Ау- множества функций принадлежности г-мутерму у-й переменной; —

множество функций принадлежности г'-му терму выходной переменной.

Как правило, база знаний представляется в виде таблицы, где каждой комбинации входных переменных соответствует определенное значение выходной координаты. В рассматриваемом случае использование по 7 функций принадлежности для каждой входной переменной приводит к формированию 49 правил работы НР.

Отличительной особенностью разработанной базы знаний является ее несимметричность, которая заключается в том, что совокупность правил для направления движения в сторону перекрытия линии выдоха отличается по принципу действия от правил, регулирующих противоположное движение. Данная структура базы правил обусловлена изменением характера действия нагрузки от направления движения и построена на основе анализа недостатков классических систем управления. Таким образом, на этапе закрытия линии выдоха применяется принцип стартстопного управления, поскольку он является оптимальным с точки зрения быстродействия при противодействующем характере нагрузки. Во время работы на открытие, напротив, целесообразно относительно плавное изменение напряжения во избежание значительного перерегулирования и затягивания времени переходного процесса.

Для вычисления определенного числового значения выходного напряжения/скважности на основе введенных функций принадлежности и разработанной

базы правил использован алгоритм нечеткого вывода Сугено 0-го порядка, требующий незначительных вычислительных затрат.

Для получения наиболее достоверных результатов относительно работоспособности разработанной системы моделирование проводилось с точки зрения имитации практической реализации в программном пакете МайаЪ. В качестве результата моделирования, подтверждающего высокое качество регулирования разработанной системы управления положения ЭКВ с НР, на рис. 3 представлен график переходного процесса перемещения рабочего органа (г) как результат

отработки системой управляющего воздействия, изменяющегося по произвольному закону.

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4

Рис. 3. График переходного процесса перемещения рабочего органа хп(1)в соответствии с управляющим воздействием х2 (г) при произвольном характере нагрузки Рс(1)

Таблица 1

Значение показателей качества рассмотренных систем управления при

К, = 2,5 Н

Система управления ^ПП' мс Ах мм о, %

Трехконтурная по принципу подчиненного регулирования (1 вариант настройки регуляторов) 10 0 23

Трехконтурная по принципу подчиненного регулирования (2 вариант настройки регуляторов) 45 0 14

Система с параболическим регулятором положения 45 0 0

Система с модальным законом управления 10 0,067 0

Система с нечетким регулятором 25 0,003 1,5

Количественная оценка показателей качества (время переходного процесса (пп> ошибка позиционирования Ахуст, перерегулирование а) классических

систем управления и системы с НР приведена в таблице 1 (при = 2,5 Ни прочих равных условиях).

Следует заметить, что без воздействия силы сопротивления все из представленных систем удовлетворяют поставленным в главе 2 требованиям качест-

ва. Однако, анализ представленных в таблице 1 данных позволяет заключить, что разработанная система с НР при Рс = 2,5 Н позволяет достичь достаточно высокого быстродействия ЭКВ без одновременного значительного увеличения статической ошибки позиционирования, как в системе с модальным законом управления, и без появления недопустимого уровня перерегулирования, как в системе подчиненного регулирования.

Более того, благодаря отсутствию интегрирующего канала в контуре регулирования система управления с НР обладает инвариантностью к изменению нагрузки в режиме позиционирования и не допускает отклонение регулируемой координаты от заданного положения. Адекватность данного утверждения подтверждается результатами моделирования, приведенными на рис. 4, где точность поддержания положения системой с НР сравнивается с точностью системы с параболическим регулятором положения (отклонение в моменты появления силы сопротивления составляет 7% от требуемого положения).

I

3.5 3 2.5 2 1.5

0.5

°0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 [ с

Рис. 4. Графики переходных процессов перемещения рабочего органа (хНр (/) - в системе сНР, хпр(1)~ в системе с параболическим регулятором)

В качестве результата проведенного исследования выделены следующие преимущества системы управления положением ЭКВ на базе нечеткой логики:

1. Для реализации НР не требуется математическая модель объекта управления.

2. Разработанная система управления позволяет достичь высоких показателей качества регулирования (ошибка не более 0,003 мм, время переходного процесса не более 25мс) при различных режимах работы и произвольном характере действия силы сопротивления.

3. Минимальные вычислительные затраты на вычисление нечеткого алгоритма, поскольку главным образом используются логические операции и сравнения.

4. Инвариантность к изменениям параметров объекта в широком диапазо-не(исследование проводилось при изменении параметров объекта в пределах (-30...40)% от исходных).

х„,мм

>Хнр ¡1)

/Ш

/ : хпр№ {

...........................

|...............Т

Перечисленные положения позволяют заключить, что нечеткая система управления положением ЭКВ является оптимальной с точки зрения повышения надежности и безопасности средств реабилитационной техники.

Доказательство устойчивости разработанного НР проводилось согласно теории гиперустойчивости (основоположником является В.М. Попов), которая позволяет получить строгое математическое обоснование устойчивости системы с многочисленными точками равновесия. В общем идея гиперустойчивости предполагает, что гиперустойчивая система не содержит внутренних источников энергии, т.е.увеличение энергии системы зависит исключительно от энергии, поступающей с входным сигналом.

В рамках аналитического описания предполагается, что замкнутой импульсной системе автоматического управления с нечетким регулятором соответствует структурная схема, приведенная на рис. 5.

и

)-♦ НР

Р

Рис. 5. Структурная схема замкнутой САР положением ЭКВ с НР

Для удовлетворения предварительных требований при использовании метода гиперустойчивости для стабилизации системы вводятся фиктивные степени свободы к], к2, г1, Г2, г3, г4 и представляются в форме контуров обратной связи для линейного блока и параллельных связей, охватывающих нелинейную подсистему, для взаимной компенсации. Для доказательства условий гиперустойчивости, требующих, чтобы вещественные части передаточных функций были положительно определенными, дополнительно вводятся степени свободы и ¿2 -Тогда введение фиктивных степеней свободы преобразует компонентные передаточные функции входных координат нечеткого регулятора по управ-лениюСг;^,) и С2(г) к виду:

(г3/пр,(г)

0*2*(2) = -

1 + {к1/г1)01(2) + {к2/г2)02(2) (Г4/Г2)Р1(2) 1 + {к1/г,)01(1) + {к2/г2)02(2) 2~ Таким образом, выбор значений степеней свободы г1> г2> г3 > г4>

удовлетворяющих условиям, составленным в соответствии с алгебраическим критерием Гурвица при выполнении преобразования единичной окружности комплексной плоскости г в правую полуплоскость комплексной плоскости будет гарантировать устойчивость полюсов передаточных функций:

т1~т2+с7 ~с8>0>

Зш] -гп2~су +3с$ >0,

-сут1 -с^ + с^т2]>О,

(Зт1 -т2-с7 +3с8)(3т1+т2-с7 -Зс8)(т1+т2+с7 +с8)~

-(гп] + т2 +с7 +с§ )3( т1-т2+с7 -с8)>0. Где т1 =1 + с9(к1/г1)+с5(к2/г2), т2 =сб-с9(к]/г!), с,-коэффициенты, определяемые параметрами объекта и введенные при описании дискретных передаточных функций.

В частности, для применения теории гиперустойчивости должны выполняться такие предварительные требования, как:

— полная управляемость и наблюдаемость системы;

- число входов линейного блока должно совпадать с числом его выходов (вводится фиктивный нулевой выход);

- порядок числителя каждой из компонентных передаточных функций не может превышать порядка знаменателя;

-нелинейный блок должен представлять однозначное отображение пространства входных переменных в пространство выходных сигналов;

— отображение, осуществляемое нелинейным блоком, должно удовлетворять условию обнуления.

Подробное изложение выполнения перечисленных условий приводится в тексте диссертации.

Основное условие гиперустойчивости для дискретного линейного блока, формулируется в следующем виде: дискретный линейный блок должен быть строго положительно вещественным. Для удовлетворения поставленного требования необходимо выполнение условий вида:

Яе]* >0, Ую>0, ** **

Яе1 + Яе2 >0, Яе)*-Яе2 >0, \/со>0,

** Л-

где элементы Яевыделяются в результате разделения передаточных функции линейного блока на действительную и мнимую части после выполнения подстановки 2 = = есм(а>Г)+]згг&(аТ), где Т- частота дискретизации ШИМ.

Основное условие гиперустойчивости для нелинейного блока, в качестве которого выступает НР, заключается в том, что нелинейная часть должна удовлетворять интегральному неравенству Попова, которое для дискретной системы трансформируется в условие в форме суммы Попова:

1=1

* *

где Уд- — вектор выходов нелинейного блока, у^ — вектор входов нелинейного блока. Для рассматриваемой системы в зависимости от исходных координат данное условие формируется как:

r2

. ' rl r2

Величина гц зависит от рабочего сектора входного пространства рассматриваемого нелинейного блока и, следовательно, условие Попова требуется исследовать для каждого сектора, что приближенно можно ограничить проверкой этого условия для некоторого числа точек, характеризующих каждый из секторов.

Таким образом, для доказательства гиперустойчивости рассматриваемой системы в общей сложности необходимо одновременное выполнение 104 условий, которым должен удовлетворять набор из восьми введенных степеней свободы (4 условия - согласно критерию Гурвица; 51 неравенство - как результат проверки условий положительной определенности линейного блока для 17 точек с плотностью 0,125 с учетом того, что область изменения аргументовRe^* в тригонометрической форме ограничена диапазоном [-1,1] и 49 условий Попова для 49 точек, относительно равномерно покрывающих все секторы пространства входных переменных).

При выполнении численной проверки для ЭКВ с принятыми параметрами установлено, что один из возможных наборов значений фиктивных степеней свободы, удовлетворяющих всем введенным требованиям, принимает вид:

kj =-1,5, к2 =5300, п=1-10~7, г2=1-10~7, г3=].]0~\ г4=1-10~4, dl =0,186, d2= -0,141.

Откуда можно заключить, что доказана гиперустойчивость разработанной системы управления положением ЭКВ на базе нечеткой логики.

В шестой главе приведены результаты экспериментальных испытаний опытного образца ЭКВ, которые подтверждают основные результаты проведенного теоретического исследования. Так, идентичность нагрузочных характеристик опытного образца и расчетной модели позволяет судить о корректности разработанной математической модели ЭКВ и теоретических результатов, полученных в главе 2, поскольку сила тяги как параметр характеризует совокупность электромагнитных процессов всего ЭКВ в целом.

На основе выводов и закономерностей влияния взаимного расположения оптических элементов на вид выходной характеристики оптического датчика, приведенных в главе 3, реализована обратная связь по положению ЭКВ, позволяющая получить максимально линейную характеристику исходя из технологических ограничений.

На рис. 66 изображен подключенный к воздуходувке (рис. 6а) ЭКВ (рис. 6г), закрепленный в корпусе, в котором располагается мембрана (рис. 6в), управляющая величиной проходного отверстия в линии выдоха.

Результаты проведенных испытаний опытного образца ЭКВ с установкой генератора вдоха на базе ОАО «Производственное объединение «Уральский оптико-механический завод имени Э. С. Яламова», как одного из ведущих российских предприятий в области разработки медицинской техники, свидетельствуют о его высоком быстродействии и способности поддерживать постоянным тре-

17

буемое значение давления при различных режимах работы. Результаты, подтверждающие не только высокий уровень конкурентоспособности разработки, но и ее превосходство над зарубежными аналогами, подкреплены соответствующими актами внедрения, приведенными в приложении диссертационной работы.

а) в) I)

Рис. 6. Установка генератора вдоха (а), ЭКВ в креплении для установки (б), расположение мембраны в корпусе (в), ЭКВ (г)

В результате анализа принципа функционирования ЭКВ как управляемой электромагнитной системы, установлено, что к наиболее вероятным причинам отказа устройства относятся: выход из строя вследствие перегрузки по току, неисправность датчика положения, блокировка выходного штока как следствие конструктивных дефектов или, с меньшей вероятностью, в результате нарушения алгоритма программы. На основании данного анализа в одном из разделов главы предложены алгоритмы защиты от перегрузки по току, защиты от неисправности оптического датчика положения и защита от блокировки выходного штока (отсутствия движения).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе в рамках решения научной проблемы повышения надежности и безопасности средств реабилитационной техники разработана конструкция и сформированы принципы построения систем управления электроприводом клапана выдоха аппаратов ИВЛ. К основным научно-техническим результатам относятся:

1. Предложена методика оптимизации конструкции ЭКВ, которая позволяет добиться максимального быстродействия устройства при ограничении на массогабаритные показатели и потребление энергии. Так, по результатам применения методики создан опытный образец ЭКВ, который при габаритных размерах 035x40 мм переходит в установившейся режим за 15 мс при энергопотреблении 9,6 Вт.

2. Разработана математическая модель оптического датчика положения как информационного элемента системы управления ЭКВ, которая позволяет

достичь желаемого вида выходной характеристики датчика путем определенного взаимного расположения оптических элементов. Установлено, что при необходимости работы с начальным участком выходной характеристики датчика, для повышения его линейности необходимо увеличивать межцентровое расстояние системы излучатель-приемник.

3. Методом решения полевой задачи выявлены основные закономерности для повышения линейности выходной характеристики датчика Холла посредством изменения конфигурации сигнального элемента. Установлено, что максимально линейный характер выходная характеристика датчика приобретает при использовании магнита цилиндрической формы с вырезом параболической формы глубиной ориентировочно 1:3 относительно высоты магнита в его основании.

4. Предложена методика синтеза регулятора положения ЭКВ на базе нечеткой логики для достижения высоких показателей точности и быстродействия. Разработанная система с НР позволяет повысить быстродействие при регулировании положения ЭКВ в 2 раза под воздействием нагрузки в сравнении с классическими системами управления. При этом обеспечивается достаточно высокая точность позиционирования (0,003 мм) и наблюдается незначительное перерегулирование (на уровне 1,5 %). Важным также является тот факт, что разработанная система обладает инвариантностью к изменениям характера нагрузки в режиме позиционирования и к изменениям параметров объекта в широком диапазоне (исследование проводилось при изменении параметров объекта в пределах (-30... 40)% от исходных). Приведена методика исследования гиперустойчивости системы управления ЭКВ с нечетким регулятором.

5. Предложены алгоритмы защиты ЭКВ от перегрузки по току, защиты от неисправности оптического датчика положения и защита от блокировки выходного штока (отсутствия движения).

6. Осуществлена практическая разработка и проведены экспериментальные исследования ЭКВ на базе линейного двигателя постоянного тока, которые свидетельствуют о высокой степени быстродействия устройства и способности поддержания постоянным предписанного уровня давления.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Издания из перечня ВАК

1. Шабуров, П.О. 5тагйип%то1ог. активный клапан выдоха / Шабуров П О., Маргацкая Е.А. // Вестник ЮУрГУ. Серия "Энергетика". - 2013 - Т 13 № 1. - С.154—159.

2. Маргацкая, Е. А. Определение оптимальной формы сигнального элемента датчика Холла для повышения линейности его выходной характеристики / Маргацкая Е. А. // Известия вузов. Электромеханика. - 2014 -№ 2. - С. 53-58.

3. Маргацкая, Е.А. Нечеткий регулятор как средство повышения точности позиционирования и быстродействия в системе управления малыми линейными перемещениями / Маргацкая Е.А., Гордеев С.А. // Вестник Южно-Уральского

государственного университета. Серия: Энергетика. - 2014. -Т. 13, № 4. - С. 60 -67.

Издания, входящие в систему iuiTupoaainiHScopus

4. Development of а mathematical model of the system receiver-emitter optical sensors for effectively measuring small linear displacement / Margatskaya, E.A. ; Shaburov, P.O., Shumakov, B.D., Bolshakov, M.V.// Mechanical Engineering, Automation and Control Systems (MEACS) International Conference, 2014, Pp. 1 - 4.

Другие научные издания

5. Маргацкая, E.A. Электропривод клапана выдоха аппарата искусственной вентиляции легких / Шабуров П.О., Маргацкая Е.А. // Электротехнические системы и комплексы: междунар. сб. науч. трудов. - 2012. -Вып. 20. - С. 83-90.

6. Маргацкая, Е.А. Электропривод клапана выдоха аппарата искусственной вентиляции легких / Маргацкая Е.А. // Материалы докладов VIII международной молодежной научной конференции "Тинчуринские чтения". - 2013. - Т. З.-С. 98-99.

7. Шабуров, П.О.Аналитический способ построения выходной характеристики оптического датчика / Шабуров П.О., Маргацкая Е.А., Шумаков Б.Д., Большаков М.В. // Энерго- и ресурсосбережение в теплоэнергетике и социальной сфере: материалы Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов, ученых. - Т.2. - 2014. - №1 - С. 338 - 342.

8. Маргацкая, Е.А. Анализ возможности применения оптического датчика и датчика магнитного поля для реализации обратной связи по положению / Маргацкая Е.А. //Электромехатроника и управление. Девятая международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Энер-гия-2014": Материалы конференции. - Т.4. - 2014. - С. 74 - 78.

9. Шабуров, ПО.Использование оптического датчика для измерения линейных перемещений / Шабуров П.О., Маргацкая Е.А., Шумаков Б.Д., Большаков М.В. // Материалы 66-й научной конференции секции технических наук. -Наука ЮУрГУ[Электронный ресурс]. - 2014.

10. Маргацкая Е.А., Клиначев Н.В., ШабуровП.О.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ (№ 20136114 64): "Программа управления микроконтроллером электропривода клапана выдоха аппарата искусственной вентиляции легких".

11. Маргацкая, Е.А.Об устойчивости системы управления электромагнитным клапаном / Е.А. Маргацкая, Д.А. Курносов, С.Г. Воронин//Энерго- и ресурсосбережение в теплоэнергетике и социальной сфере: материалы Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов, ученых. - Т. 3. -2015. -№ 1.-С. 179- 184.

Маргацкая Елена Александровна

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ КЛАПАНА ВЫДОХА АППАРАТА ИВ Л

Специальность 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Издательский центр Южно-Уральского государственного университета

Подписано в печать 04.08.2015. Формат 60x84 1/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ 415/494.

Отпечатано в типографии Издательского центра ЮУрГУ. 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.