本发明涉及医用氧舱定制化供氧领域,具体涉及一种基于模糊控制的医用氧舱定制化供氧系统及其方法。
背景技术：
随着医疗技术的进步，人们对医疗舒适程度的要求也越来越高。不同的使用者在使用氧舱进行治疗时所需要的空气和氧气的浓度、压力和流量的值也不相同。但是，传统的氧舱供氧系统多是统一供氧，因为氧舱属于密封的环境，供氧期间医护人员需要在舱内预先设定好每个座位的供氧流量，而供氧过程中供氧量是固定不变的，医护人员无法在舱外调节每位患者的氧气浓度、压力和流量的大小，进而很难根据每位患者的自身需求进行定制化供氧。
由于目前对于影响供氧治疗时的需氧的因素尚没有明确的限定，对于医用氧舱这种时变的非线性的复杂系统，难以获得准确的数学模型，目前尚未有有效的定制化供氧方案。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出一种基于模糊控制的定制化供氧系统及其方法，通过模糊控制器在供氧期间针对患者的个人需求进行供氧的自动调整，不仅提高了每一位患者的舒适程度，也给医疗工作者带来了极大的便利。
本发明是采用以下的技术方案实现的：
基于模糊控制的医用氧舱定制化供氧系统，包括控制中心、模糊控制器、云计算存储系统、供氧供气调节系统以及监测系统，模糊控制器的输入端与控制中心相连，模糊控制器的输出端与供氧供气调节系统相连；
所述供氧供气调节系统包括供氧系统、排氧系统、供气系统和排气系统，分别用以实现供氧、排氧和供气、排气调节；所述监测系统包括安装在每条供养供气调节系统管路上的气压表、流量计和测氧仪，分别用以对每个使用者在供氧过程中的实时气压值、流量值和氧浓度值进行监测，并将其传输给控制中心及模糊控制器，云计算存储系统与模糊控制器通信，实现对医用氧舱定制化供氧系统所有控制数据的存储记录；
所述控制中心作为中央控制设备，用以实现对医用氧舱供氧供气参数的基本设定，并实时显示监测系统测得的每个使用者在供氧过程中的实时气压值、流量值和氧浓度值，所述供氧供气参数包括气压、流量和氧浓度，医疗工作者可通过控制中心实现对医用氧舱的监测与调整；
所述模糊控制器用以接收监测系统测得的实时气压值、流量值和氧浓度值，以及控制中心设定的供氧供气参数值，进行模糊控制分析，进而控制供氧供气调节系统实现整体调节；模糊控制器包括模糊化处理模块、规则库建立模块、模糊推理模块和清晰化处理模块：
模糊化处理模块根据气压、流量和氧浓度的目标值及实际检测值计算各个控制对象的误差E和误差变化率EC，并将其作为模糊输入变量；
规则库建立模块根据专家经验生成控制规则，并结合神经网络和遗传算法对控制数据进行分析，实现对控制规则的优化，以获得医用氧舱的模糊控制规则表；
模糊推理模块采用模糊赋值表定义模糊集，并根据模糊输入变量、输出变量的隶属度曲线得到输出控制表，采用查表法对输出控制表进行模糊推理，根据模糊控制规则表中输入数据论域元素和输出数据论域元素的关系，得到对应的输出控制量；
清晰化处理模块将输出控制量的数据进行清晰化处理，转化为气压、氧浓度和流量的调节值，这样所需气压、氧浓度和流量的空气和氧气的混合气体经过所述模糊控制器的调节通过医用氧舱的每条管路和吸氧面罩输送给每个使用者，实现定制化的供氧。
进一步的，所述定制化供氧系统还包括与供氧供气调节装置相连的保护装置，所述保护装置包括氧浓度超标报警装置、应急排放阀和应急呼吸装置，所述氧浓度超标报警装置检测氧气浓度并在氧浓度超标时报警，所述应急排放阀实现对氧舱故障时产生气体的排放，所述应急呼吸装置用以存储标准配比气体，以在紧急情况下备用。
进一步的，所述保护装置还包括手动操作机构和应急电源，所述手动操作机构用以实现在医用氧舱自动控制出现故障时的手动调节，所述应急电源存储电能，以在紧急情况下启动应急照明系统。
进一步的，所述定制化供氧系统还包括智能手表，智能手表与控制中心和模糊控制器无线连接，所述智能手表内设置有体感传感器，用以实时监控使用者的心跳和呼吸频率生理状态变化，并将数据发送至控制中心进行显示。
本发明另外还提出一种基于模糊控制的医用氧舱定制化供氧系统的方法，包括以下步骤：
A、医疗工作者通过控制中心实现对医用氧舱的基本设定及每个吸氧使用者供氧供气参数的定制化设定，将设定的目标气压值记为p，气压表实时测量得到的气压值记为p(k)，将设定的目标氧浓度值记为v，测氧仪实时测量得到的氧浓度值记为v(k)，将设定的目标流量值记为r，流量计实时测量得到的流量值记为r(k)；
B、通过监测系统中的气压表、测氧仪和流量计分别对每个使用者管路的气压值p(k)、氧浓度值v(k)和流量值r(k)的进行数据采集，并将检测到的数据传输至所述模糊控制器中；
C、通过模糊控制器进行定制化供氧调节：
(1)根据气压值、流量值和氧浓度值三个控制对象的目标值和实时测量值，计算控制对象的误差E及误差变化率EC，作为模糊控制器的模糊输入变量；将误差E、误差变化率EC与控制量N的论域量化为7个等级：{-6，-4，-2，0，+2，+4，+6}，将误差E、误差变化EC与控制量N的模糊子集分为7个等级：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其隶属度函数采用正态分布；
(2)制定模糊控制规则，通过神经网络和遗传算法对控制过程中的数据进行分析，对控制规则进行优化，确定医用氧舱的模糊控制规则表；
(3)通过模糊赋值表定义模糊集，根据模糊输入变量、输出变量的隶属度函数曲线得到输出控制表，采用查表法对输出控制表进行模糊推理，根据模糊控制规则表中输入数据论域元素和输出数据论域元素的关系，计算出相应的输出控制量；
(4)将输出控制量的数据进行清晰化处理，转化成气压值、氧浓度值和流量值的调节值，然后将模糊控制器的输出控制量分别向供气系统、排气系统、供氧系统和排氧系统发出控制信号进行控制，进而实现定制化的供氧调节。
进一步的，在定制化供氧过程中，还包括对氧浓度超标进行检测报警的步骤，通过氧浓度超标报警装置检测氧气浓度并在氧浓度超标时报警。
进一步的，在定制化供氧过程中，还包括通过智能手表实时监控使用者的心跳和呼吸状态生理状态变化的步骤，并将数据发送至控制中心进行显示。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明基于模糊控制的医用氧舱定制化供氧系统通过模糊控制的方式，对模糊控制器及其控制方式进行设计，实现根据个人需求对供氧量的实时、自动调整，供氧调节快速方便、安全；不仅实现了定制化供氧，还可以通过佩戴的智能手表实时监控心跳，呼吸频率等生理状态的变化，并且可以输入性别，身高，体重等因素，为下一步研究供氧与这些因素的关系提供可靠的理论依据；并且每个使用者在经过一次供氧使用记录后所记录的数据将其通过互联网保存到数据库云存储空间，便于调用供氧使用记录进行参考；
使用者可以在采用智能手表根据自己的不同状况，实时地对空气和氧气的浓度、压力和流量进行调节，既可以个人手动调节，也可以通过模糊控制器在供氧期间针对使用者的要求进行自动调整；本方案定制化供氧灵活、可靠，可根据使用者的需求实时调节空气和氧气的浓度、压力和流量的供给强度，不仅提高了每一位使用氧舱的人的舒适程度，也给医疗工作者带来了极大的便利，完全弥补了传统氧舱供氧系统统一供氧的缺陷与不足。
附图说明
图1为本发明实施例1所述医用氧舱定制化供氧系统的原理框图。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1，一种基于模糊控制的医用氧舱定制化供氧系统，参考图1，包括控制中心、模糊控制器、云计算存储系统、供氧供气调节系统以及监测系统，模糊控制器的输入端与控制中心相连，模糊控制器的输出端与供氧供气调节系统相连；
所述供氧供气调节系统包括供氧系统、排氧系统、供气系统和排气系统，分别用以实现供氧、排氧和供气、排气调节；所述监测系统包括安装在每条供养供气调节系统管路上的气压表、流量计和测氧仪，分别用以对每个使用者在供氧过程中的实时气压值、流量值和氧浓度值进行监测，并将其传输给控制中心及模糊控制器，云计算存储系统与模糊控制器通信，实现对医用氧舱定制化供氧系统所有控制数据的存储记录；
所述控制中心作为中央控制设备，用以实现对医用氧舱供氧供气参数的基本设定，并实时显示监测系统测得的每个使用者在供氧过程中的实时气压值、流量值和氧浓度值，所述供氧供气参数包括气压、流量和氧浓度，医疗工作者可通过控制中心实现对医用氧舱的监测与调整；
所述模糊控制器用以接收监测系统测得的实时气压值、流量值和氧浓度值，以及控制中心设定的供氧供气参数值，进行模糊控制分析，进而控制供氧供气调节系统实现整体调节；模糊控制器包括模糊化处理模块、规则库建立模块、模糊推理模块和清晰化处理模块：
模糊化处理模块根据气压、流量和氧浓度的目标值及实际检测值计算各个控制对象的误差E和误差变化率EC，并将其作为模糊输入变量；
规则库建立模块根据专家经验生成控制规则，并结合神经网络和遗传算法对控制数据进行分析，实现对控制规则的优化，以获得医用氧舱的模糊控制规则表；
模糊推理模块采用模糊赋值表定义模糊集，并根据模糊输入变量、输出变量的隶属度曲线得到输出控制表，采用查表法对输出控制表进行模糊推理，根据模糊控制规则表中输入数据论域元素和输出数据论域元素的关系，得到对应的输出控制量；
清晰化处理模块将输出控制量的数据进行清晰化处理，转化为气压、氧浓度和流量的调节值，这样所需气压、氧浓度和流量的空气和氧气的混合气体经过所述模糊控制器的调节通过医用氧舱的每条管路和吸氧面罩输送给每个使用者，实现定制化的供氧。
另外，为了提高定制化供氧的安全性及易操作性，继续参考图1，所述定制化供氧系统还包括与供氧供气调节装置相连的保护装置，所述保护装置包括氧浓度超标报警装置、应急排放阀、应急呼吸装置、手动操作机构和应急电源，所述氧浓度超标报警装置检测氧气浓度并在氧浓度超标时报警，所述应急排放阀实现对氧舱故障时产生气体的排放，所述应急呼吸装置用以存储标准配比气体，以在紧急情况下备用；手动操作机构用以实现在医用氧舱自动控制出现故障时的手动调节，所述应急电源存储电能，以在紧急情况下启动应急照明系统。
定制化供氧系统还包括智能手表，智能手表作为个人控制端，可与控制中心和模糊控制器无线连接，比如蓝牙，智能手表上设置有触摸屏，智能手表内设置有体感传感器，用以实时监控使用者的心跳和呼吸频率生理状态变化，并且可以输入性别、身高、体重等因素，为下一步研究这些因素与供氧的关系提供可靠的理论依据，并将数据发送至控制中心进行显示。
每个使用者在一段时间内，经过一次供氧使用记录后，记录使用者的使用数据，并将其通过互联网保存到云计算存储系统中，下次在其他地方也可以调用供氧使用记录进行参考。
实施例2，一种基于实施例1所述定制化供氧系统的方法，包括以下步骤：
(一)、医疗工作者通过控制中心实现对医用氧舱的基本设定及每个吸氧使用者供氧供气参数的定制化设定，将设定的目标气压值记为p，气压表实时测量得到的气压值记为p(k)，将设定的目标氧浓度值记为v，测氧仪实时测量得到的氧浓度值记为v(k)，将设定的目标流量值记为r，流量计实时测量得到的流量值记为r(k)；
(二)、通过监测系统中的气压表、测氧仪和流量计分别对每个使用者管路的气压值p(k)、氧浓度值v(k)和流量值r(k)的进行数据采集，并将检测到的数据传输至所述模糊控制器中；
(三)、通过模糊控制器进行定制化供氧调节：
(1)根据气压值、流量值和氧浓度值三个控制对象的目标值和实时测量值，计算控制对象的误差E及误差变化率EC，作为模糊控制器的模糊输入变量；E1(k)＝p(k)-p，E2(k)＝v(k)-v，E3(k)＝r(k)-r，EC(k)＝E(k)-E(k-1)；将误差E、误差变化率EC与控制量N的论域量化为7个等级：{-6，-4，-2，0，+2，+4，+6}，将误差E、误差变化EC与控制量N的模糊子集分为7个等级：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其隶属度函数采用正态分布，如表1-表3所示，分别为误差E、误差变化EC与控制量N的隶属函数表：
表1模糊控制器中的变量误差E的隶属函数值表
表2模糊控制器中的误差变化EC的隶属函数值表
表3模糊控制器中的控制量N隶属函数值表
(2)制定模糊控制规则，通过神经网络和遗传算法对控制过程中的数据进行分析，对控制规则进行优化，确定医用氧舱的模糊控制规则表，如表4所示；
表4模糊控制器中的模糊控制规则表
(3)通过模糊赋值表定义模糊集，根据模糊输入变量、输出变量的隶属度函数曲线得到输出控制表，如表5所示：
表5模糊控制器中的输出控制表
采用查表法对输出控制表进行模糊推理，根据模糊控制规则表中输入数据论域元素和输出数据论域元素的关系，计算出相应的输出控制量；
(4)将输出控制量的数据进行清晰化处理，转化成气压值、氧浓度值和流量值的调节值，然后将模糊控制器的输出控制量分别向供气系统、排气系统、供氧系统和排氧系统发出控制信号进行控制，进而实现定制化的供氧调节。
而且，在本实施例所述的定制化供氧过程中，还包括对氧浓度超标进行检测报警的步骤，通过氧浓度超标报警装置检测氧气浓度并在氧浓度超标时报警，并通过智能手表实时监控使用者的心跳和呼吸状态生理状态变化，然后将数据发送至控制中心进行显示。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。