用于干电池供电的风扇转速调节方法、装置及存储介质与流程

1.本发明涉及风扇转速调节技术领域，具体涉及一种用于干电池供电的风扇转速调节方法、装置及存储介质。


背景技术：

2.在一次性呼吸机系统中，为了保证呼吸的顺畅以及空气的流通，加入了干电池供电的风扇，其风量的规定范围为120l/min
‑
190l/min，在刚换上新的干电池组的时候，由于初始电压高，风扇转速高，故风扇的风量能够满足要求，但是随着时间的推移，干电池电量下降较大，导致系统连续工作时长缩短，影响一次性呼吸机的使用体验。故，为了节省电量，延长系统的工作时间，需要在风扇的转速上作出调节控制。
3.为解决这一问题，现有技术中有一种燃料电池的风扇转速调节方法及装置，根据燃料电池所在环境的环境参数、燃料电池的当前温度、风扇的当前转速以及预设目标温度，对风扇的转速调节，即不但考虑了燃料电池所在环境的环境参数、燃料电池的当前温度以及风扇的当前转速，而且考虑了预设目标温度，能够更加准确地控制风扇的转速，由于风扇的转速大小会影响燃料电池散热的速度，进而影响燃料电池的温度，从而可实现对燃料电池的温度的准确控制。
4.该方案能够对风扇的转速实现控制，从而实现对燃料电池的温度的准确控制，利用固定温度来匹配不同的风扇转速，通过保证电池的温度来达到延长使用时间的目的，虽然本方法表面上看能够达到延长电池使用的目的，但实际上电池使用的效果大打折扣。众所周知，一次性呼吸机为了保证使用者能够无阻碍地进行呼吸，通入新鲜空气的同时排除呼吸产生的二氧化碳，是需要稳定的风量来进行气体输送的。前述方法，为了达到延长电池使用时间的目的，而使原本就不太稳定的风量快速变得更小，实际上的使用效果非但没有提升，反而还降低了原本一次性呼吸机的使用感受，更有甚者，还可能因为风量不足给人呼吸不畅的感觉。故，现在有必要研究在保持风扇风量不变的前提下，通过调节转速，使风扇风量不受电池电量下降的影响，最终达到延长风扇工作时间的目的。


技术实现要素：

5.本发明意在提供一种用于干电池供电的风扇转速调节方法，用来解决保持风扇风量不变的前提下，延长风扇工作时间的技术问题。
6.本发明提供的基础方案为：用于干电池供电的风扇转速调节方法，包括以下步骤：
7.步骤s1，设置风扇的目标转速；
8.步骤s2，采集风扇当前的实际转速，并将实际转速与目标转速通过计算得到转速误差；
9.步骤s3，按照预设的调节方法，对风扇的实际转速进行实时调节，使风扇的实际转速始终与设置的目标转速保持一致；
10.步骤s4，间隔固定采样时间采集一次风扇当前时刻的实际转速，并重复上述步骤
对风扇的转速进行实时调节。
11.本发明的工作原理及优点在于：实际应用时，通过设置的检测模块采集风扇当前的实际转速，并与预设的目标转速进行计算得到转速误差，然后利用增量式pid算法以及pwm脉冲宽度调制，计算控制电压变化量和pwm脉冲宽度调制占空比，将pwm脉冲宽度调制占空比与预设的范围对比，随后根据对比结果控制风扇的电压，从而实现对风扇的实际转速的调节，使风扇的实际转速和风量稳定在预设的值，避免其受到干电池组电压逐渐下降的影响，不仅能保证一次性呼吸机系统的正常运行，还能够节省电量，延长一次性呼吸机系统的使用时间。
12.优选的，作为一种改进，预设的调节方法为增量式pid算法，包括以下内容：
13.将转速误差代入控制电压变化量公式中，计算得到控制电压变化量；
14.根据得到的控制电压变化量和脉冲宽度调制占空比公式计算出脉冲宽度调制占空比；
15.将脉冲宽度调制占空比与预设范围对比，若脉冲宽度调制占空比在预设范围内，则更新转速误差，并再次采集风扇的实际转速；反之则直接设定脉冲宽度调制占空比的数值，并再次采集风扇的实际转速。
16.根据增量式pid算法并结合pwm脉冲宽度调制，来实时调节风扇的转速，使风扇的实际转速始终与设定的目标转速保持一致，从而使风扇的风量保持稳定，极大程度上节约了电量，最终能够延长一次性呼吸机的使用时间。
17.优选的，作为一种改进，控制电压变化量公式为，
18.δu
(t)
＝k
p
·
(e
(t)
‑
e
(t
‑
1)
)+k
i
·
e
(t)
+k
d
·
(e
(t)
‑2·
e
(t
‑
1)
+e
(t
‑
2)
)
19.其中，k
p
为比例系数；k
i
为积分系数；k
d
为微分系数；e
(t)
为当前时刻风扇实际转速和目标转速的误差，e
(t
‑
1)
为前一次采集时风扇实际转速和目标转速之间的转速误差，e
(t
‑
2)
为前两次采集时风扇实际转速和目标转速之间的转速误差。
20.利用控制电压变化量的计算公式，并结合当前风扇实际转速和目标转速之间的转速误差、前一次采集时风扇实际转速和目标转速之间的转速误差与前两次采集时风扇实际转速和目标转速之间的转速误差，能够实时根据转速误差来对风扇的实际转速进行调控，从而能够达到节约电量，延长使用时间的目的。
21.优选的，作为一种改进，脉冲宽度调制占空比公式为，
22.pwm
duty
＝pwm
duty
+c
·
δu
(t)
23.其中，pwm
duty
为脉冲宽度调制占空比，c为调节系数。
24.利用脉冲宽度调制占空比公式，再根据计算出来的控制电压变化量来实时调节当前pwm风扇的占空比，影响风扇的电压，从而对风扇的实际转速进行调节，保证风扇的实际转速与设置的目标转速一致。
25.优选的，作为一种改进，比例系数k
p
为2；积分系数k
i
为5；微分系数k
d
为1。
26.通过多次理论计算分析与试验分析，在控制电压变化量公式中，比例系数的具体值为2，积分系数的具体值为5，微分系数的具体值为1时，所计算出来的控制电压变化量更准确；从而对能够在后续的步骤中更有效地调节脉冲宽度调制占空比，使其能够有效地控制风扇的实际转速，使风扇的实际转速与目标转速保持一致，从而达到稳定转速、稳定风量的目的。
27.优选的，作为一种改进，预设范围为0
‑
100；直接设定脉冲宽度调制占空比的数值为，
28.若脉冲宽度调制占空比小于0，则设定脉冲宽度调制占空比为0；
29.若脉冲宽度调制占空比大于100，则设定脉冲宽度调制占空比为100。
30.将脉冲宽度调制占空比的预设范围设置为0
‑
100，在此范围内对风扇的转速调节都能满足要求，而若是计算出的脉冲宽度调制占空比小于0，则设定脉冲宽度调制占空比为0；若是计算出的脉冲宽度调制占空比大于100，则设定脉冲宽度调制占空比为100，保证在不管什么情况下都能对风扇的转速进行有效调节，从而保证风扇的实际转速与目标转速一致。
31.优选的，作为一种改进，目标转速根据一次性呼吸机系统的使用要求和干电池组的规格来设置；所述使用要求为一次性呼吸机的连续工作时长在10个小时以上；所述干电池组的规格为3组9节5号干电池组。
32.经过测试，在满足风量为120l/min
‑
190l/min的需求下，由于初始电压高，风扇转速高，电量下降较大，导致正常情况下一次性呼吸机系统连续使用时长不足8小时，故为了体现本方法的优越性，保持干电阻的规格不变的前提下，将使用要求设置为一次性呼吸机的连续工作时长在10个小时以上，能够有效体现本调节方法对风扇的使用时间具有实际作用。
33.优选的，作为一种改进，固定采样时间为0.5秒。
34.将采集风扇实际转速的间隔时间设置为0.5秒，不仅保证了采集动作的连续性，同时又考虑了风扇转速调节过程中的延迟性，能够保证风扇的转速时刻都处于调节状态内，从而保证转速与目标转速一致。
35.本发明还提供一种用于干电池供电的风扇转速调节装置，包括微处理器模块，以及分别与微处理器模块连接的检测模块、调节模块和控制模块；
36.检测模块，用于检测风扇当前时刻的实际转速形成当前转速，并将当前转速发送至微处理器模块；
37.调节模块，用于根据所述增量式pid算法调节风扇的实际转速；
38.控制模块，用于设置一次性呼吸机系统的设置要求；所述一次性呼吸机系统的设置要求包括参数设置和工作状态设置；
39.微处理器模块，包括数据处理单元和pid控制单元；所述数据处理单元，用于对采集到的风扇转速按照所述增量式pid算法进行分析计算；所述pid控制单元，用于执行所述增量式pid算法；所述微处理器模块根据所述控制模块设置的一次性呼吸机设置要求，微处理器模块使风扇的实际转速始终与设置的目标转速保持一致。
40.通过检测模块来检测风扇当前时刻的实际转速，并将检测到的实际转速发送至微处理器模块，按照预设的增量式pid算法对实际转速进行分析处理，然后调节模块根据分析处理的结果来实时调节风扇的实际转速，使其保持与目标转速一致，达到稳定转速和风量的目的，从而节约电量，延长使用时间。
41.本发明还提供一种干电池供电的风扇转速调节存储介质，存储介质中存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令用于使计算机执行如权利要求1至8任一项所述的用于干电池供电的风扇转速调节方法。
42.通过设置的存储介质，能够存储执行对风扇转速进行调节方法的计算机程序，从而使风扇转速的调节方法能够顺利对风扇的实际转速进行实时调节，减小使用过程中的能力损耗，延长一次性呼吸机的使用时长。
附图说明
43.图1为本发明用于干电池供电的风扇转速调节方法、装置及存储介质实施例一的流程示意图。
44.图2为本发明用于干电池供电的风扇转速调节方法、装置及存储介质实施例一增量式pid算法的示意图。
45.图3为本发明用于干电池供电的风扇转速调节方法、装置及存储介质实施例一的转速调节原理示意图。
46.图4为本发明用于干电池供电的风扇转速调节方法、装置及存储介质实施例一的系统运行数据示意图。
47.图5为本发明用于干电池供电的风扇转速调节方法、装置及存储介质实施例一的装置结构示意图。
具体实施方式
48.下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
49.说明书附图中的标记包括：检测模块1、微处理器模块2、调节模块3、控制模块4、数据处理单元5、pid控制单元6。
50.实施例一：
51.本实施例基本如附图1和附图3所示：用于干电池供电的风扇转速调节方法，包括以下步骤：
52.步骤s1，根据一次性呼吸机系统的使用要求和干电池组的规格，设置风扇的目标转速；
53.步骤s2，采集风扇当前的实际转速，并将实际转速与目标转速通过计算得到转速误差；
54.步骤s3，按照预设的调节方法，对风扇的实际转速进行实时调节，使风扇的实际转速始终与设置的目标转速保持一致；
55.步骤s4，间隔固定采样时间采集一次风扇当前时刻的实际转速，并重复上述步骤对风扇的转速进行实时调节。
56.如附图2所示，预设的调节方法引入增量式pid算法，首先利用控制电压变化量公式
57.δu
(t)
＝k
p
·
(e
(t)
‑
e
(t
‑
1)
)+k
i
·
e
(f)
+k
d
·
(e
(t)
‑2·
e
(t
‑
1)
+e
(t
‑
2)
)
58.并结合当前风扇实际转速和目标转速之间的转速误差、前一次采集时风扇实际转速和目标转速之间的转速误差与前两次采集时风扇实际转速和目标转速之间的转速误差，计算得到控制电压变化量，然后根据得到的控制电压变化量和脉冲宽度调制占空比公式
59.pwm
duty
＝pwm
duty
+c
·
δu
(t)
60.计算出脉冲宽度调制占空比，最后将脉冲宽度调制占空比与预设范围0
‑
100对比，
若脉冲宽度调制占空比在预设范围0
‑
100内，则更新转速误差，并再次采集风扇的实际转速；若脉冲宽度调制占空比小于0，则设定脉冲宽度调制占空比为0；若脉冲宽度调制占空比大于100，则设定脉冲宽度调制占空比为100。
61.如附图5所示，用于干电池供电的风扇转速调节装置，包括微处理器模块2，以及分别与微处理器模块2连接的检测模块1、调节模块3和控制模块4；
62.检测模块1，用于检测风扇当前时刻的实际转速形成当前转速，并将当前转速发送至微处理器模块2；
63.调节模块3，用于根据所述增量式pid算法调节风扇的实际转速；
64.控制模块4，用于设置风扇的目标转速、增量式pid算法各个系数和采样时间以及控制一次性呼吸机系统的工作状态。
65.微处理器模块2，包括数据处理单元5和pid控制单元6；数据处理单元5，用于对采集到的风扇转速按照所述增量式pid算法进行分析计算；pid控制单元6，用于执行所述增量式pid算法；微处理器模块根据所述控制模块设置的一次性呼吸机设置要求，微处理器模块使风扇的实际转速始终与设置的目标转速保持一致。
66.用于干电池供电的风扇转速调节存储介质，存储介质中存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令用于使计算机执行如权利要求1至8任一项所述的用于干电池供电的风扇转速调节方法。
67.本实施例中系统参数具体为，比例系数为2，积分系数为5，微分系数为1，调节系数为0.05，采样时间为0.5秒。
68.如附图4所示，通过实际测试，选用的干电池组为南孚牌3组9节5号干电池组时，一次性呼吸机系统能够保持130l/min的风量连续工作14个小时。
69.通过检测模块1采集到风扇在当前时刻的实际转速，使采集的转速数据处于最新的状态，并将采集到的实际转速发送至微处理器模块2，微处理模块的数据处理单元5按照预先存储的增量式pid算法对转速进行分析计算，随后通过pwm脉冲宽度调制占空比对风扇的实际转速进行调节，不仅使整个调节过程简单快捷，并且能够使风扇的风量保持稳定，节约电量的同时还能延长一次性呼吸机系统的工作时间。
70.本实施例的具体实施过程如下：
71.第一步，将pid初始化，在控制模块4中设置风扇的目标转速为3000rpm，则风扇的风量为130l/min，将增量式pid算法中的比例系数设置为2，积分系数设置为5，微分系数设置为1，调节系数设置为0.05，采样时间设置为0.5秒；随后启动一次性呼吸机系统，一次性呼吸机系统开始工作，风扇同步开始工作。
72.第二步，检测模块1开始工作，采集风扇在当前时刻的实际转速，并将采集到的实际转速发送给微处理器模块2。
73.第三步，微处理器模块2的数据处理单元5，按照增量式pid算法对实际转速进行分析计算，用实际转速减去目标转速，得到风扇在当前时刻的转速误差；随后利用控制电压变化量公式，
74.δu
(t)
＝2
·
(e
(t)
‑
e
(t
‑
1)
)+5
·
e
(t)
+1
·
(e
(t)
‑2·
e
(t
‑
1)
+e
(t
‑
2)
)
75.计算出此转速误差值下的控制电压变化量，再利用脉冲宽度调制占空比公式，
76.pwm
duty
＝pwm
duty
+0.05
·
δu
(t)
计算出脉冲宽度调制占空比。
77.第四步，将脉冲宽度调制占空比与预设范围0
‑
100对比，若脉冲宽度调制占空比在0
‑
100内，则更新转速误差，并再次采集风扇的实际转速；若脉冲宽度调制占空比小于0，则设定脉冲宽度调制占空比为0；若脉冲宽度调制占空比大于100，则设定脉冲宽度调制占空比为100；设定好脉冲宽度调制占空比具体数值后，更新前一次、前两次采集时风扇实际转速和目标转速之间的转速误差，并再次采集风扇的实际转速。
78.第五步，利用pwm脉冲宽度调制占空比控制风扇的实际转速保持在3000rpm，使风扇的风量稳定在130l/min。
79.第六步，间隔0.5秒采集一次风扇当前时刻的实际转速，并重复上述步骤对风扇的转速进行实时调节。
80.随着充电技术的发展，相比于干电池，现在很多器件和设备都更倾向于使用充电电池，但是，目前的充电电池与干电池相比，成本还是太高，对于一次性呼吸机等一次性设备而言，使用充电电池并不划算。也正是因为一次性用品成本因素的考虑，大家不会想到要去对现在干电池供电的一次性呼吸机进行改进。而本方案，主要是对于转速调节方法的改进，硬件成本上根本没有增加，也不会影响一次性呼吸机的生产制作。而本方案的巧妙不仅是在成本考虑上，更因为本方案通过简单的手段，能够使干电池在可以适用的过程中，使风扇提供稳定风量，使呼吸机的使用效果一直保持在相对稳定状态，对比起来，使呼吸机的有效使用时间其实是增加了，能够在不增加成本的基础上最大化地发挥一次性呼吸机的作用。
81.实施例二：
82.本实施例基本与实施例一相同，区别在于：本实施例中，风扇实际转速的采样时间设置为1秒。
83.考虑到系统对风扇转速调节过程的延时性，故延长对实际转速数据的采集间隔时间，给后续对数据的分析计算以及对风扇的实时调节留出充足的时间，避免因转速采集时间过短，导致风扇的实际转速还未调节完毕，检测模块1就已经采集风扇当前的实际转速，使采集到的实际转速处于未更新状态，没有利用价值，既浪费系统的数据采集时间，又对后续风扇转速的调节产生不利影响。
84.本实施例的具体实施过程与实施例一相同，区别在于：
85.第一步，将pid初始化，在控制模块4中设置风扇的目标转速为3000rpm，则风扇的风量为130l/min，将增量式pid算法中的比例系数设置为2，积分系数设置为5，微分系数设置为1，调节系数设置为0.05，采样时间设置为1秒；随后启动一次性呼吸机系统，一次性呼吸机系统开始工作，风扇同步开始工作。
86.第六步，间隔1秒采集一次风扇当前时刻的实际转速，并重复上述步骤对风扇的转速进行实时调节。
87.与实施例一相比，通过将风扇实际转速的采样时间增加至1秒，能够减少系统对实际转速的采样次数和频率，不仅能够给微处理器对风扇转速的调节提供充足的时间，同时也能够保证对转速的调节效果，避免因采样时间过短导致使系统对转速的调节出现偏差，使对风扇的转速调节效果不理想，影响一次性呼吸机的使用效果和用户的体验感。
88.实施例三：
89.本实施例基本与实施例一相同，区别在于：本实施例中，将增量式pid算法中的调
节系数设置为0.1。
90.通过增大调节系数，从而影响脉冲宽度调制占空比的计算，增大脉冲宽度调制占空比，从而增大风扇得到的平均电压，使风扇的电压不受电压在电路中的损耗影响，从而使实际转速能得到更精准的调节，保证风扇实际转速的稳定以及风量的稳定。
91.本实施例的具体实施过程与实施例一相同，区别在于：
92.第一步，将pid初始化，在控制模块4中设置风扇的目标转速为3000rpm，则风扇的风量为130l/min，将增量式pid算法中的比例系数设置为2，积分系数设置为5，微分系数设置为1，调节系数设置为0.1，采样时间设置为0.5秒；随后启动一次性呼吸机系统，一次性呼吸机系统开始工作，风扇同步开始工作。
93.第三步，微处理器模块2的数据处理单元5，按照增量式pid算法对实际转速进行分析计算，用实际转速减去目标转速，得到风扇在当前时刻的转速误差；随后利用控制电压变化量公式，
94.δu
(t)
＝2
·
(e
(t)
‑
e
(t
‑
1)
)+5
·
e
(t)
+1
·
(e
(t)
‑2·
e
(t
‑
1)
+e
(t
‑
2)
)
95.计算出此转速误差值下的控制电压变化量，再利用脉冲宽度调制占空比公式，
96.pwm
duty
＝pwm
duty
+0.1
·
δu
(t)
97.计算出脉冲宽度调制占空比。
98.从实际的应用情况出发考虑，为了保证对一次性呼吸机系统使用时间的延长以及风量的稳定，同时避免因风扇电机发热等意外情况带来的影响，将调节系数增大从而影响风扇的电压，来实现对风扇实际转速的精准调节，保证满足一次性呼吸机的使用要求。
99.实施例四：
100.本实施例基本与实施例一相同，区别在于：将脉冲宽度调制占空比的预设范围设置为0
‑
80。
101.将脉冲宽度调制占空比的预设范围由0
‑
100调整为0
‑
80，减小了脉冲宽度调制占空比范围的上限值，从而缩小了有效范围，使针对风扇的电压调节更准确，若计算出的脉冲宽度调制占空比在此范围内，则实现对风扇电压的有效调节；若是计算出的占空比大于80，则会直接令占空比等于80，从而间接减小了超范围占空比对风扇电压的不利影响，保证了风扇实际转速的有效调节。
102.本实施例的具体实施过程与实施例一相同，区别在于：
103.第四步，将脉冲宽度调制占空比与预设范围0
‑
80对比，若脉冲宽度调制占空比在0
‑
80内，则更新转速误差，并再次采集风扇的实际转速；若脉冲宽度调制占空比小于0，则设定脉冲宽度调制占空比为0；若脉冲宽度调制占空比大于80，则设定脉冲宽度调制占空比为80；设定好脉冲宽度调制占空比具体数值后，更新前一次、前两次采集时风扇实际转速和目标转速之间的转速误差，并再次采集风扇的实际转速。
104.考虑进一次性呼吸机的使用过程和电池损耗过程，减小了脉冲宽度调制占空比的预设范围，使对风扇进行转速调节时，能够因电压的适当改变，对转速的调节更准确，从而在满足为一次性呼吸机提供稳定风量的前提下，保证电池组电压的输出稳定性，提高呼吸机的使用效果和体验感。
105.实施例五：
106.本实施例基本与实施例一相同，区别在于：本实施例中，用于干电池供电的风扇转
速调节装置还包括显示模块，显示模块包括显示屏，用于实时显示风扇的实际转速、系统的工作时长和干电池组剩余电量。
107.通过显示模块将风扇的实际转速、系统的工作时长和干电池组剩余电量实时显示出来，不仅能够使一次性呼吸机系统的数据显示更清楚，也能够通过显示信息对系统数据进行实时调控，使风扇的实际转速保持与目标转速一致。
108.本实施例的具体实施过程与实施例一相同，区别在于，增加一个步骤：
109.第七步，将风扇的实际转速、一次性呼吸机系统的工作时长和干电池组剩余电量百分比，显示在显示屏上，并且随着对风扇转速的调节以及使用时长的增加，对显示屏上显示的数据进行动态更新。
110.将一次性呼吸机增加一个显示装置，不仅能够迎合市场的需求，同时也能够实现更多的功能，例如剩余电量的显示和使用时间的显示，使用户对此一次性呼吸机的体验感大幅提升，不仅能够增多一次性呼吸机的功能，也能促使一次性呼吸机技术的发展。
111.以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本技术给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本技术的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。