本发明涉及医疗器械，具体涉及一种人体呼吸模拟系统及自适应控制方法。
背景技术：
1、随着人民生活水平的不断提高和科技的进步，呼吸机逐渐成为几乎所有的医院的标配设备，在临床抢救呼吸衰竭患者、日常呼吸疾病治疗以及临床教学培训中是不可缺少的。由于呼吸过程对于患者的生命健康有很大影响，对于呼吸机参数的任何调节都会直接影响到患者的治疗效果。为了保证呼吸机的使用安全和良好的治疗效果，对于呼吸机性能的检测与矫正至关重要。
2、模拟肺可以对不同人群的呼吸流量、压强、气体成分等特征进行模拟，可以用于呼吸机参数校准，同时也是临床教学、培训及科研等领域不可或缺的重要工具。目前常用模拟肺为气囊式被动模拟肺，无法模拟人的主动呼吸过程，不能够满足部分使用需求。随着呼吸机功能的增加，需要检测和校准的特征也随之增加，精准可靠、技术指标多样的主动模拟肺能够为呼吸机的检测校准、人员的培训提供一种有效手段。现有的主动模拟肺基于往复的气缸结构，虽然具备主动呼吸能力，但结构复杂，物理惯性大，控制复杂；并且主要针对呼吸的力学特征进行模拟，如流量、压强等，缺乏对气体交换的研究，对于不同人群的模拟泛用性不足。
技术实现思路
1、针对使用现有的模拟肺系统对于不同人群的模拟泛用性不足的问题，本发明提供一种人体呼吸模拟系统及自适应控制方法。
2、第一方面，本发明技术方案提供一种人体呼吸模拟系统，包括控制模块和呼吸气路；所述呼吸气路上设置有比例阀、流量传感器、压力传感器、氧气浓度传感器和二氧化碳浓度传感器；
3、压力传感器、氧气浓度传感器、二氧化碳浓度传感器和流量传感器分别与控制模块连接，将采集到的传感信息传输到控制模块；
4、所述控制模块内设置有呼吸模型库和模糊pid算法；
5、所述呼吸模型库包括根据不同人群的呼吸特征训练的用于产生呼吸流量数据与气体交换数据的数据模型；
6、模糊pid算法，用于根据呼吸流量数据、气体交换数据结合各个传感器采集的传感信息，首先进行模糊计算处理实现pid参数的自适应调整，参数调整后进行pid控制处理输出控制信号给相应位置的比例阀，来控制呼吸气路的气体流量。
7、作为本发明技术方案的优选，所述呼吸模型库包括呼吸流量数据模型和气体交换数据模型；
8、呼吸流量数据模型是基于c-dcgan的数据模型，训练过程如下：
9、将数据特征c以及模型自动产生的随机数，经过c-dacan的生成器，产生m个数据点；将生成器的结果与本次的输入数据特征c合并作为判别器的输入值，在判别器中经过三次卷积层+leakyrelu层，最终经过sigmoid层产生判断结果对生成器进行训练；所述数据特征c包括潮气量、吸呼比、呼吸频率；
10、气体交换数据模型是基于贝叶斯正则化的bp神经网络模型用于描述肺内部氧气、二氧化碳的交换情况；将吸入氧浓度、吸入二氧化碳分压、血液二氧化碳分压、呼吸频率、分钟通气量输入模型，经过贝叶斯正则化的bp神经网络计算后，产生呼出氧浓度与呼末二氧化碳两个特征的值。
11、作为本发明技术方案的优选，控制模块接收各个传感器所采集的压强、流量、氧浓度、二氧化碳浓度数据，分别与设定值作对比计算对应的偏差，并计算偏差的变化率，将偏差以及偏差的变化率作为模糊pid算法模块的输入进行模糊计算输出pid参数，根据呼吸流量数据模型和气体交换数据模型产生的数据进行pid算法处理计算呼吸气路中气体的流量并生成控制信号。
12、作为本发明技术方案的优选，模糊算法对pid参数的调整过程包括：
13、将当前控制周期内采集到的偏差和偏差变化率线性映射到预先设定的模糊量的论域内得到模糊量对不同模糊子集的隶属度；
14、根据模糊化得到的隶属度查询模糊规则表，确定输出量对于模糊子集的隶属度；
15、通过mamdani算法对输出量进行反模糊运算输出pid参数。
16、作为本发明技术方案的优选，呼吸气路包括呼气路和吸气路；pid算法对呼气路的控制目标主要有呼气路气体浓度和气体流量，对吸气路的控制目标是气体流量；
17、pid算法控制具体如下：
18、根据呼吸模型库中的数据模型生成的呼出氧浓度与呼末二氧化碳分压数据以及呼气路流量数据，设定呼气路出口处二氧化碳浓度为,氧气浓度为，流量为，计算得到呼气路中氧气气路流量，氮气气路流量，二氧化碳气路流量如下：
19、；
20、当q>0时，吸气路的控制比例阀关闭，当q<0时控制呼气路的比例阀关闭。
21、作为本发明技术方案的优选，呼气路上设置有至少三个比例阀，比例阀的输入口分别连接氮气气源，二氧化碳气源和氧气气源，三个比例阀的输出口各自经过一个流量传感器后合并到一个四通混气管，经过四通混气管混合到一条输出管路上，输出管路上设置有压力传感器、氧气浓度传感器和二氧化碳浓度传感器；
22、吸气路上有至少一个比例阀，比例阀的输出口连接在负压气源上，比例阀的输入口连接有输入管路，所述输入管路上设置有流量传感器、氧气浓度传感器、二氧化碳浓度传感器；输入管路的输入端和输出管路的输出端通过三通连接，合并为整个人体呼吸模拟系统的输出口。
23、作为本发明技术方案的优选，呼气路上的比例阀为电气比例阀，吸气路上的比例阀为真空比例阀。
24、作为本发明技术方案的优选，该系统还包括i/o模块，接收控制模块的控制数据，并将接收到的控制数据经过da转换器转换为电压信号传输给比例阀调整比例阀节流口的开度进而控制气路流量。
25、作为本发明技术方案的优选，i/o模块包括ad转换器和da转换器；
26、da转换器将控制模块输出的数字控制信号转换为模拟控制信号传送给比例阀；
27、气路中的氧气传感器、二氧化碳浓度传感器、流量传感器和压力传感器反馈气体浓度数据、压力与流量数据通过ad转换器输入到控制模块。
28、第二方面，本发明技术方案提供一种人体呼吸模拟系统的自适应控制方法，包括如下步骤：
29、获取呼吸流量数据；
30、当呼吸流量数据大于零时，获取所需气体浓度数据；
31、根据获取的呼吸流量数据和所需气体浓度数据计算三个气源的分气路的流量数据；
32、接收流量传感器反馈数据，计算当前周期流量数据与反馈数据的偏差并计算偏差的变化率；
33、基于模糊pid算法实现pid参数的自适应调整，参数调整后进行pid控制处理输出控制信号给相应位置的比例阀，来控制呼气路比例阀的运行；
34、当呼吸流量数据小于或等于零时，接收流量传感器反馈数据，计算当前周期流量数据与反馈数据的偏差并计算偏差的变化率；
35、基于模糊pid算法实现pid参数的自适应调整，参数调整后进行pid控制处理输出控制信号给相应位置的比例阀，来控制吸气路比例阀的运行。
36、作为本发明技术方案的优选，获取所需气体浓度数据的步骤包括：
37、获取气体浓度数据；
38、接收气体浓度传感器反馈数据，计算气体浓度数据与反馈数据偏差；
39、通过增量pi算法更新气体浓度值得到所需气体浓度数据。
40、从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：具有模拟特征多、精度高、泛用性强的优点，可以根据输入的呼吸特征产生相应的呼吸数据，并由模糊pid算法进行快速响应和准确模拟，便于呼吸机检测校准和临床教学培训。
41、使用dcgan和bp神经网络构建呼吸模型库，分别生成呼吸流量数据与气体交换数据，根据训练数据的不同，能够针对不同类型(如不同气道阻塞程度、不同年龄)的群体生成符合对象特征的呼吸过程相关数据。使用电气比例阀替代传统的活塞气缸式执行部件，并在呼气路上游设置三个流量传感器，分别控制三路流量，随后经过混气管合并为一个出口，提高了对呼出气体成分控制的可行性以及各条气路中气体流量的精度。采用模糊pid算法对执行部件进行控制，相比于传统pid控制算法，具有更好的稳定性和响应速度以及更高的控制精度。通过引入模糊pid算法实现pid参数的自适应调整，系统能够根据呼吸流量数据的动态变化自动优化控制参数，从而有效减少控制过程中的超调、振荡等问题，提高系统的稳定性和控制精度。这种自适应控制策略使得系统在面对复杂多变的呼吸模式时，依然能够保持良好的控制性能。
1.一种人体呼吸模拟系统，其特征在于，包括控制模块和呼吸气路；所述呼吸气路上设置有比例阀、流量传感器、压力传感器、氧气浓度传感器和二氧化碳浓度传感器；
2.根据权利要求1所述的人体呼吸模拟系统，其特征在于，所述呼吸模型库包括呼吸流量数据模型和气体交换数据模型；
3.根据权利要求2所述的人体呼吸模拟系统，其特征在于，控制模块接收各个传感器所采集的压强、流量、氧浓度、二氧化碳浓度数据，分别与设定值作对比计算对应的偏差，并计算偏差的变化率，将偏差以及偏差的变化率作为模糊pid算法模块的输入进行模糊计算输出pid参数，根据呼吸流量数据模型和气体交换数据模型产生的数据进行pid算法处理计算呼吸气路中气体的流量并生成控制信号。
4.根据权利要求3所述的人体呼吸模拟系统，其特征在于，模糊算法对pid参数的调整过程包括：
5.根据权利要求3所述的人体呼吸模拟系统，其特征在于，呼吸气路包括呼气路和吸气路；pid算法对呼气路的控制目标主要有呼气路气体浓度和气体流量，对吸气路的控制目标是气体流量；
6.根据权利要求5所述的人体呼吸模拟系统，其特征在于，呼气路上设置有至少三个比例阀，比例阀的输入口分别连接氮气气源，二氧化碳气源和氧气气源，三个比例阀的输出口各自经过一个流量传感器后合并到一个四通混气管，经过四通混气管混合到一条输出管路上，输出管路上设置有压力传感器、氧气浓度传感器和二氧化碳浓度传感器；
7.根据权利要求1所述的人体呼吸模拟系统，其特征在于，该系统还包括i/o模块，接收控制模块的控制数据，并将接收到的控制数据经过da转换器转换为电压信号传输给比例阀调整比例阀节流口的开度进而控制气路流量。
8.根据权利要求7所述的人体呼吸模拟系统，其特征在于，i/o模块包括ad转换器和da转换器；
9.一种人体呼吸模拟系统的自适应控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
10.根据权利要求9所述的人体呼吸模拟系统的自适应控制方法，其特征在于，获取所需气体浓度数据的步骤包括：
