氧气面罩呼吸腔压力自适应调节系统研究

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飞行员氧气面罩气密性能的提高要求氧调器具备更加良好的调节性能。首先,狭小的密闭呼吸腔使得飞行员的呼吸作用成为影响呼吸腔压力变化的最主要因素,而飞行员的肺通气量是不断变化的,而且每个呼吸周期内的瞬时流量也是不断变化的,需要氧调器具有更快的响应速度和更高的调节精度;其次,氧调器在一个呼吸周期内可控时间比较短,使得执行器的惯性特性对呼吸腔内压力调节过程影响比较大。本文针对氧调器的控制策略研究了氧气面罩呼吸腔内的压力自适应调节问题。  第一,对供氧系统的工作原理进行分析,搭建了供氧系统实验平台。其中,模拟肺的呼吸频率可以实现不断变化,为高度逼近真人的呼吸环境奠定了基础。  第二,通过实验分析和机理分析相结合的方式建立了供氧系统数学模型。首先,通过实验研究分析了比例流量阀和模拟肺的特性。然后,用机理分析的方法描述了呼气阀和面罩呼吸腔的流量和压力特性。最后,通过实验验证了所建立数学模型的有效性,为后续仿真研究奠定了基础。  第三,研究了基于广义预测控制、全系数自适应控制和自抗扰控制策略的面罩呼吸腔压力调节问题。采用双回路控制策略,设计了串级自抗扰控制器并在实验平台上实现。实验结果表明,在使用者呼吸频率不断变化、比例流量阀入口压力较低的情况下,与PID控制器相比,串级自抗扰控制器能够实现较低的吸气阻力。  第四,证明了针对线性自抗扰控制的收敛性,并分析了供氧系统中压力回路的稳定性。另外,通过仿真研究中引入蒙特卡洛技术分析了模型参数具有不确定性时系统的鲁棒性。
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