Увлажнитель дыхательных смесей: ПИД-регуляция с использованием метода Циглера – Никольса

Д. А. Липчак, А. А. Душкина, А. А. Чупов

Аннотация


Ввиду повсеместного распространения коронавирусной инфекции SARS-CoV-2, с начала 2020 года значительно вырос спрос на наркозно-дыхательные аппараты, в частности на аппараты искусственной вентиляции легких, аппараты ингаляционной анестезии и кислородных ингаляторов. В состав таких аппаратов для респираторной поддержки должны входить специальные медицинские устройства, предназначенные для нагрева и повышения влагосодержания дыхательной смеси, поступающей пациенту от аппаратов респираторной терапии. Такие медицинские изделия принято называть увлажнителями дыхательных смесей.

На территории АО «Производственное объединение “Уральский оптико-механический завод” имени Э. С. Яламова» организовано производство увлажнителя дыхательных смесей «ТЕВЛАР» – «УОМЗ» по ТУ 32.50.21-121-07539541-2018 с принадлежностями. В рамах проекта по модернизации увлажнителя дыхательных смесей «ТЕВЛАР» – «УОМЗ» была реализована доработка блока электронных средств измерения аппарата. В частности, с целью повышения точности термостатирования нагревательного элемента изделия при нагревании до целевой температуры дыхательных смесей, силами конструкторского бюро медицинских изделий было модернизировано встроенное программное обеспечение, а именно реализован алгоритм устойчивого и стабильного ПИД-регулирования. В настоящей статье представлен обзор методов настройки реализованного ПИД-регулятора, обоснован выбор ПИД-регуляции с использованием настройки по методу Циглера – Никольса, а также результаты экспериментального подтверждения стабильности выбранного алгоритма.

Липчак Д. А., Душкина А. А., Чупов А. А. Увлажнитель дыхательных смесей: ПИД-регуляция с использованием метода Циглера – Никольса. Ural Radio Engineering Journal. 2020;4(4):376–317. DOI: 10.15826/ urej.2020.4.4.002. 

 


Ключевые слова


ПИД-регулятор; ПИД-регулирование; метод Циглера – Никольса; термостат; увлажнитель; дыхательные смеси; ИВЛ

Полный текст:

PDF

Литература


Simakov S. S., Kholodov A. S. Computational study of oxygen concentration in human blood under the low-frequency disturbances. Mathematical Models and Computer Simulations. 2009;1(2):283–295. DOI: 10.1134/S2070048209020112.

Yakushenko N. L., Kopeika U. E., Nagobade D., Mihelson M. O. Changes of salivary alpha amylase as an indicator of adrenergic activity in response to laryngoscopy and endotracheal intubation. Anesteziologiya i reanimatologiya = Russian Journal of Anaesthesiology and Reanimatology. 2011;(3):29–33. (In Russ.)

Dunts P. V., Li O. E., Shumatov V. B. Analysis of cellular medicators of local inflammation of subglottic space using endotracheal anesthesia. Anesteziologiya i reanimatologiya = Russian Journal of Anaesthesiology and Reanimatology. 2019;4:38–42. (In Russ.) DOI: 10.17116/anaesthesiology201904138.

Malyavin A G., Adasheva T. V., Babak S. L., Gubernatorova E. E., Uvarova O. V. Medical rehabilitation of COVID-19-survived patients. Methodological recommendations. Terapiya = Therapy. 2020;6(5 Suppl.):1–48. (In Russ.)

Lewis B. W., Patial S., Saini Y. Immunopathology of airway surface liquid dehydration disease. Journal of Immunology Research. 2019:2180409. DOI: 10.1155/2019/2180409.

Wang X., Gong J., Zhu J., Jin Z., Gao W. Alpha 1-antitrypsin for treating ventilator-associated lung injury in acute respiratory distress syndrome rats. Experimental Lung Research. 2019;45(7):209–219. DOI: 10.1080/01902148.2019.1642968.

Haziot N., Ibrahim M., Zhu K., Thevenin C.P., Hardy S., Gonzalez- Bermejo J. Impact of leaks and ventilation parameters on the efficacy of humidifiers during home ventilation for tracheostomized patients: a bench study. BMC Pulmonary Medicine. 2019;19(1):1–8. DOI: 10.1186/ s12890-019-0812-z.

Pisani L., Vega M.L. Use of nasal high flow in stable COPD: rationale and physiology. COPD: Journal of Chronic Obstructive Pulmonary Disease. 2017;14(3):346-350.

Dammann C., Mahnken R. Simulation of a resin transfer molding process using a phase field approach within the theory of porous media. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2019;120:147–160.

Doctor T. N., Foster J. P., Stewart A., Tan K., Todd D. A., McGrory L. Heated and humidified inspired gas through heated humidifiers in comparison to non-heated and non-humidified gas in hospitalised neonates receiving respiratory support. The Cochrane Database of Systematic Reviews. 2017;(2):CD012549. DOI: 10.1002/14651858.CD012549.

Shioji N., Kanazawa T., Iwasaki T., Shimizu K., Suemori T., Kawase H., et.al. Incidence of Pulmonary Complications with the Prophylactic Use of High-flow Nasal Cannula after Pediatric Cardiac Surgery: Prophylactic HFNC Study Protocol. Acta Medica Okayama. 2018;72(2):193–196. DOI: 10.18926/AMO/55862.

Yaroshetsky A. I., Vlasenko A. V., Gritsan A. I., Kirov M. Yu., Kolesnichenko A. P., Lebedinsky K. M., Nikolaenko E. M., Protsenko D. N. Non-invasive respiratory support (the second edition). Clinical guidelines of the Federation of Anesthesiologists and Reanimatologists of Russia. Anesteziologiya i reanimatologiya = Russian Journal of Anаеsthesiology and Reanimatology. 2019;(6):5–19. DOI: 10.17116/ anaesthesiology20190615.

Velichkovsky B. T. Molecular mechanisms of gas exchange disorders in the lung at the Extreme North. Pulmonologiya = Russian Pulmonology Journal. 2005;(4):61–64. (In Russ.) DOI: 10.18093/0869- 0189-2005-0-4-61-64.

Evdochim L., Zhdanov A. E., Borisov V. I., Dobrescu D. Reflection Coefficient in Pressure Pulse of Human Blood Flow. In: 2020 13th International Conference on Communications (COMM) (Bucharest, June 18–20, 2020). Bucharest: Institute of Electrical and Electronics Engineers; 2020. P. 65–68.

Evdochim L., Zhdanov A. E., Borisov V. I., Dobrescu D., Dorosinsky L. G. Blood Mixers for Transfusion Therapy: Photoplethysmogram application for blood velocity determination. In: 2020 IEEE International Symposium on Medical Measurements and Applications (MeMeA) (Bari, June 1, 2020 – July 1, 2020). Bari: Institute of Electrical and Electronics Engineers; 2020. P. 1–6.

Negodyaev K. E., Zhdanov A. E., Borisov V. I., Dorosinsky L. G. Overview of Blood Mixers for Transfusion Therapy: Characteristics, Features, and Development Potential. In: 2020 Ural Symposium on Biomedical Engineering, Radioelectronics and Information Technology (USBEREIT) (Yekaterindurg, May 14–15, 2020). Yekaterindurg: Institute of Electrical and Electronics Engineers; 2020. P. 109–112.

Vlasenko A. V., Koryakin A. G., Evdokimov E. A., Eryomin D. A. Protection of upper respiratory tract of patient in conditions of respiratory support: current state of issue. Medicinskij alfavit = Medical alphabet. 2019;1(16):30–36. (In Russ.) DOI: 10.33667/2078-5631-2019- 1-16(391)-30-36.

Ishmukhametova R. I. Device for indicating parameters of instruments carrying out the gas mixture to light persons. Forum molodykh uchenykh 2019;(12):321–323. (In Russ.)

Gun-Baek S. O. EA-based design of a nonlinear PID controller using an error scaling technique. Studies in Informatics and Control. 2019;28(3):279–288. DOI: 10.24846/v28i3y201904.

Dadfar S., Wakil K., Khaksar M., Rezvani A., Miveh M. R., Gandomkar M. Enhanced control strategies for a hybrid battery/ photovoltaic system using FGS-PID in grid-connected mode. International Journal of Hydrogen Energy. 2019;44(29):14642–14660.

Chuahy F. D., Olk J., DelVescovo D., Kokjohn S. L. An engine size–scaling method for kinetically controlled combustion strategies. International Journal of Engine Research. 2020;21(6):927–947. DOI: 10.1177/1468087418786130.

Rotach V. Ya., Vishnyakova Yu. N. Calculation of regulation systems with two auxiliary controlled variables. Thermal Engineering. 2006;53(2):120–127. DOI: 10.1134/S004060150602008X.

Chia K. S. Ziegler-nichols based proportional-integral-derivative controller for a line tracking robot. Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science. 2018;9(1):221–226. DOI: 10.11591/ ijeecs.v9.i1.pp221-226.

Vorobyov V. Y., Sablina G. V. Calculation and Optimization of Parameters of the Discrete PID-controller by the Ziegler-Nichols Method. Automatics & Software Enginery. 2019;1(27):7.

Lee S. The modified Ziegler-Nichols method for obtaining the optimum PID gain coefficients under quadcopter flight system. Journal of the Korea Convergence Society. 2020;11(11):195–201.

Bezkhmelnov V. D., Solntsev V. I., Sukhov Zh. S. The use of tuning and auto-tuning methods for automatic temperature control systems based on a programmable logic controller from B&R. Inzhenernyi vestnik = Engineering Bulletin. 2017;(5):16–25. (In Russ.) Available at: http:// ainjournal.ru/doc/858765.html

Rotach V. Ya., Zverkov V. P., Kuzishchin V. F. Automation of the design and adjustment of distributed process control systems. Thermal Engineering. 1998;45(10):814–821.

Geraskin I. V., Geraskin V. A., Geraskina N. V. Determination of the level of condensate by recording the noise level in the respiratory circuit of mechanical ventilation devices. Vestnik Rossiiskoi voenno- meditsinskoi akademii = Bulletin of the Russian Military Medical Academy. 2020;71(3):123–126. (In Russ.) DOI: 10.17816/brmma50547.


Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


URAL RADIO ENGINEERING JOURNAL

2020