CC BY
21
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 681.518.5:681.5.08
МЕТОД ТЕХНИЧЕСКОГО САМОДИАГНОСТИРОВАНИЯ В КОМПЛЕКСАХ КОРРЕКТИРУЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ДЫХАТЕЛЬНУЮ СИСТЕМУ
Н.В. Ивахно, С.С. Федоров, А.Н. Чуков
Рассмотрен структурно-алгоритмический метод самодиагностирования, отличающийся контролем состояния исполнительного устройства и питающего напряжения с возможностью восстановления системы при возникновении возмущающих воздействий за счет своевременного формирования управляющих импульсов на устройство управления, что повышает безопасность состояния пациента, исключая возможность баротравмы дыхательной системы.
Ключевые слова: комплекс корректирующего воздействия, надежность схемы, исполнительное устройство, напряжение питания, компаратор, датчик тока, восстановление параметров.
К гражданским высокотехнологичным видам продукции относится инновационное медицинское оборудование, развитие которого является важнейшим направлением индустриализации. Указанная отрасль демонстрирует высокую степень зависимости от импортного производства. Создание новых методов и технических средств проектирования интеллектуальных комплексов корректирующего воздействия на дыхательную систему человека является актуальной проблемой, решение которой имеет важное социально-экономическое значение.
В результате анализа медицинских и технических требований установлены закономерности построения комплексов корректирующего воздействия на дыхательную систему человека (ККВДС), конструктивные решения которых с учетом взаимодействия компонентов биотехнической системы «дыхательный тренажер - пациент» представлены в виде обобщенной структурно-функциональной схемы [1,2].
423
При проектировании биотехнических устройств важное значение приобретают вопросы обеспечения надежности и безопасности. Для устранения неблагоприятных последствий возможных отказов широко используются структурно-алгоритмические методы [3,4], которые базируются на разработке дополнительных алгоритмов, использующих для достижения поставленной цели функционирования различные комплексы управляющих воздействий и управляемых переменных системы, а также на процедуре целенаправленного изменения алгоритма управления в процессе накопления нарушений [3].
В процессе дыхания через регулируемое сопротивление в дыхательной трубке (ДТР), соединенной с загубником, датчиками (рис.1), измеряется давление в полости дыхательной трубки Р(1), которое через блок аналоговой обработки сигналов передается в устройство контроля и управления (УКИУ).
В результате анализа кривой давления происходит настройка входных параметров обнаружения (амплитуда полезного сигнала аи, дисперсия о и среднее значения шума а0) для реализации модели обработки сигнала с целью своевременного распознавания дыхательной активности и обеспечения высокой степени синхронизации дыхания и комплекса [5]. С использованием блока диагностирования состояния дыхательной системы, использующего методы параметрического анализа, происходит формирование сигнала управления на исполнительное устройство, осуществляющее изменение и адаптацию нагрузки (сопротивление/давления переключения) в дыхательном контуре по заданному закону с учетом индивидуального состояния пациента и его изменения [2]. Также для длительного прогнозирования и формирования ограничений на воздействие производится математическое моделирование процессов в дыхательной системе (рис.1).
Устройство контроля и управления
ДТР с датчиками
Пациент давления
и регулируемым
сопротивлением
■^изиСО
Двигатель
¿¿двигателя
I дви
Блок оценки
уровня напряжения питания
Блок распознавания инсвираторнок/ экспираторной активности и предварительной обработки сигнала
Математическая мидель процессии в дыхательной системе
Блок
Блок
диагностирования
определения
дыхательной режима
системы воздействия
Блок технического сакодиагиос-тированяя
т
Блок формирования управляющего воздействия
Программные средства
Рис.1. Обобщенная структура ККВДС
424
В ККВДС должен обязательно включаться контур технического самодиагностирования, который необходим для обеспечения своевременной оценки и корректировки работы основных составляющих блоков комплекса.
В данной структуре контур самодиагностики реализует защиту исполнительного устройства от перегрузки, анализируя температуру ? и ток I электродвигателя в его составе, и позволяет экстраполировать отказ, осуществляя корректировку управляющего воздействия. Одновременно происходит анализ давления в дыхательной трубке при функционировании как в дроссельном режиме, так и в пиковом, что предотвращает возможность появления баротравмы. Блок оценки питания опережающего оповещения позволяет спрогнозировать снижение или сбой уровня питающего напряжения, своевременно сохранить текущие данные и обеспечить перезапуск и восстановление системы.
Использование пошагового алгоритма модели, программно реализованного на микроконтроллере с использованием линейного метода, существенно сократит время, затрачиваемое на перебор вариантов проектируемых схем диагностического обеспечения и на проведение расчетов при изменении функциональной структуры подсистем разрабатываемого ККВДС [4].
Как показала практическая реализация процесса выбора диагностических параметров, предложенная математическая модель [3,4], разработанная с учетом причинно-следственных связей между работоспособностью и отказом подсистем проектируемого образца ККВДС, позволяет на этапе разработки установить оптимальное количество информационных параметров, необходимых для определения вида ее технического состояния [3].
Данный подход к формированию математической модели выбора диагностических параметров, необходимых для определения работоспособности подсистем образца или причин ее неисправного состояния, является универсальным и позволяет проектировать наиболее рациональные системы автоматизированного технического диагностирования перспективных ККВДС.
С использованием информационного критерия и учетом структуры тренажерного комплекса выбран ряд точек, обеспечивающих однозначное решение задачи диагностирования: система электропитания, исполнительное устройство, а также отдельный блок контроля, входящий в диагностическую систему и являющийся блоком анализа состояния дыхательной системы человека через измерение давления [4].
Устройство самодиагностики включает в себя источник питания (ИП), рассчитанный на напряжение ип (как правило, +12 В), преобразователи напряжения ПН1 и ПН2; компараторы по напряжению КОМП1,
425
КОМП2. Питание двигателя (Д) осуществляется с ИП через датчик тока и импульсный усилитель (ИУ). Сигналы с датчика температуры (ДТ) и датчика тока подаются на устройство контроля и управления (УКИУ). Часы реального времени (ЧРВ) необходимы для независимой фиксации моментов переключения различных блоков (рис.2).
Работа комплекса корректирующего воздействия с учетом вышеприведенного описания происходит следующим образом.
В ходе тренировки пациент дышит через дыхательную трубку с загубником. Давление в дыхательном контуре Р(?) на вдохе и выдохе фиксируется с помощью датчиков давления (ДД) и преобразуется в цифровую форму в устройстве управления, где происходит расчет параметров дыхания пациента и формируется сигнал управления на исполнительное устройство, воздействующее на регулируемое сопротивление или дроссель
(РС).
Рис. 2. Обобщенная структура блока самодиагностирования ККВДС
Устройство самодиагностирования осуществляет контроль состояния исполнительного устройства, представленного двигателем (Д), через датчик тока, на вход которого поступает напряжение от источника питания. ДТ, установленный вблизи или на корпусе двигателя, передает сигнал на УКИУ, который, осуществляя анализ значений с датчика тока и ДТ, обеспечивает защиту исполнительного устройства от перегрузки и перегрева и позволяет повысить отказоустойчивость комплекса, своевременно регулируя скорость работы двигателя [4].
426
Таким образом, основным условием функционирования исполнительного устройства, представленного двигателем, являются критерии
1ДВ () £ 1ПР , 1ДВ () £ 1ПР , где 1ПР, П - предельные значения тока и температуры, формируемые исходя их технических условий на двигатель.
Напряжение с источника питания иц поступает на ПН1 с коэффициентом к1, осуществляющим преобразование ипн\ = иц • кц.
При подаче напряжения с ПН1 на вход первого КОМП1, настроенного на предельное минимальное питающее напряжение и^, на его выходе при уровне входного напряжения ниже того, на которое настроен компаратор и^\, формируется сигнал в виде логической единицы, который подается на УКИУ и сигнализирует о сбое первичного электропитания, что позволяет в энергонезависимой памяти УКИУ заблаговременно сохранить текущие данные о положении РС, величине давления в дыхательном контуре, значении энергонезависимых часов реального времени ТРВ. Второй преобразователь напряжения (ПН2) с коэффициентом преобразования к2, соединенный с ПН1, преобразует входное напряжение до уровня, необходимого для питания УКИУ:
иПН 2 = иП ' к1' к2 = иПН\' к2.
Второй КОМП2, на вход которого подано напряжение с ПН2, настроен на предельно допустимое питающее напряжение ин 2 УКИУ. При снижении уровня входного напряжения относительно предельно допустимого ин 2, КОМП2 на выходе вырабатывает логическую единицу, осуществляющую перезапуск УКИУ.
Фрагмент алгоритма, описывающий обобщенную структуру работы блока самодиагностики, изображен на рис.3.
При автоматическом перезапуске УКИУ, так как сработала схема сигнализации сбоя первичного электропитания, представленного ПН1 и КОМП1, и промежуточные данные были сохранены, происходит восстановление работы всех параметров системы с того момента времени, когда произошел сбой по питанию в том случае, если анализ сохраненного и текущего значений часов реального времени (ЧРВ) показывает разницу менее одной секунды 0 £ ТрВ £ 1 с. Если разница между этими значениями
превышает одну секунду, это указывает на начальное включение дыхательного тренажера и УКИУ начинает работу с исходного состояния [4,5].
В целом, алгоритм формирования управляющих импульсов с блока контроля питания на УКИУ описывается следующими математическими выражениями:
X = ^
X'
2
1, если sign(U- и- 0,
0, если sign(U- и= -1
1, если sign(Uн2 - ипн2) - 0, 0, если sign(Uн2~ и ПН2
и Н)=-1.
Рис.3. Алгоритм диагностирования и восстановления подсистемы
электропитания ККВДС
Применение рассмотренной структуры и алгоритма повышает отказоустойчивость аппаратуры корректирующего воздействия за счет контроля состояния исполнительного устройства, блока питания и быстрого восстановления системы при возникновении кратковременных возмущающих воздействий, что позволяет исключить возможность баротравмы пациента и значительно расширяет возможность применения ККВДС в лечебной и восстановительной медицине.
<
Введенная в комплексы корректирующего воздействия подсистема диагностирования, реализованная структурно-алгоритмическим методом, обеспечивает повышение надежности функционирования, осуществляя контроль наиболее значимых блоков, оказывающих влияние на состояние пациента.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Администрации Тульской области в рамках научного проекта № 15-48-03247 « р_центр_а».
Список литературы
1. Ивахно Н.В. Обобщенная структура комплексов интеллектуального тренажерного воздействия на дыхательную систему // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып. 11. С. 110-114.
2. Ивахно Н.В. Формирование общей совокупности информативных признаков для идентификации состояния дыхательной системы // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 8. Ч. 1. С. 106-111.
3. Ивахно Н.В. Оптимальный информационный алгоритм поиска места отказа в интеллектуальных тренажерах дыхательной мускулатуры // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2015. №2. С. 5-15.
4. Ивахно Н.В., Чуков А.Н. Структурно-алгоритмический метод повышения надежности комплексов тренажерного воздействия на дыхательную систему // Труды международного симпозиума «Надежность и качество»: в 2 т. / под ред. Н.К. Юркова. Т. 2. Пенза: Изд-во: Пензенского государственного университета, 2015. С. 254-256.
5. Ивахно Н.В., Федоров С.С. Принцип построения математической модели процесса обработки сигналов при распознавании дыхательной активности в системах интеллектуального тренажерного воздействия // Биотехносфера. 2014. №5 (35). С. 19-22.
Ивахно Наталия Валериевна, канд. техн. наук, доц., natalia_iv@,list.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Федоров Сергей Сергеевич, ассист., fedoro vpiilm aramhler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Чуков Александр Николаевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, сИи-коу. а1екиапёг@,гашЫег. ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет
429
METHOD TECHNICAL SELF-DIAGNOSIS THE COMPLEXES OF CORRECTIVE ACTION ON THE RESPIRA TORY SYSTEM
N.V. Ivakhno, S.S. Fedorov, A.N. Chukov
The structural-algorithmic method of self-diagnosing, wherein the control of the state of the actuator and the power supply with the ability to restore systems in the event of disturbances due to the timely formation of managing pulses to the control unit, which increases the safety of the patient, eliminating the possibility of barotrauma of the respiratory system.
Key words: complex corrective action, the reliability of the circuit, actuator, power supply voltage, the comparator, current sensor, restore parameters.
Ivakhno Natalia Valerievna, candidate of technical sciences, docent, nata-lia_iv@,list.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Fedorov Sergey Sergeevich, assistant, fedorovpulmarambler.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Chukov Aleksandr Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, chukov. aleksandrarambler. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 531.383
ОБЩАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДВУХОСНОГО ГИРОСТАБИЛИЗАТОРА
Е.С. Козлова, С.В. Рогов
Приведена система линейных дифференциальных уравнений двухосного гиро-стабилизатора, описывающая его движение при установке на высокоманевренные объекты. В качестве переменных в уравнениях использованы углы, определяющие динамическую погрешность такого устройства.
Ключевые слова: конечные значения углов, система координат, высокоманевренный объект, гиростабилизатор, проекции угловой скорости, гиростабилизируемая платформа.
Двухосные гироскопические гиростабилизаторы (ГС) нашли широкое применение на подвижных объектах, в частности на летательных аппаратах различного типа. С их помощью решаются задачи, связанные с ориентацией и навигацией таких объектов, а также стабилизации в заданном положении различных измерительных приборов. Оценка работы таких ГС проводится на базе линейных дифференциальных уравнений, полученных из нелинейных за счет введения ряда допущений. Одно из таких
430
