Математическое моделирование и оптимальное управление процессом имитации дыхания человека

• Автор: Иванов, Андрей Михайлович
• Шифр специальности: 05.13.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Тамбов
• Количество страниц: 117 с. : ил.

ВЕДЕНИЕ
1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ИМИТАЦИИ
ДЫХАНИЯ ЧЕЛОВЕКА
1Л Описание системы «человек - ИДА - окружающая среда»..
1.2 Технология испытаний СИЗОД
1.3 Анализ современного состояния в области математического МОДЕЛИРОВАНИЯ ВНЕШНЕГО ДЫХАНИЯ ЧЕЛОВЕКА
1.4 Системы управления установками ИЛ
1.5 Постановка цели и задачи исследования
2МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА
ДЫХАНИЯ ЧЕЛОВЕКА
2.1 Анализ процесса газообмена
2.2 Математическое описание процесса как объекта управления
3 ИМИТАЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ В УСТАНОВКЕ ИЛ
3.1 Имитационные исследования статических характеристик.
3.2 Имитационные исследования динамических характеристик
3.3 Аналез полученных результатов
4 ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ИМИТАЦИИ ВНЕШНЕГО ДЫХАНИЯ ЧЕЛОВЕКА
4.1 Структура и принцип работы прогнозирующей системы УПРАВЛЕНИЯ
4.2 Постановка задачи оптимального управления
4.3 Выбор и обоснование метода оптимального управления процессом дыхания в установке «Искусственные легкие»..
4.4 Алгоритм оптимального управления
4.5 Реализации алгоритмов оптимального управления
4.5.1 Реализация алгоритма управления сбросом ГДС
4.5.2 Реализация алгоритмов управления подачей С02 и N2.
4.6 Исследование прогнозирующей системы управления
4.7 Разработка интеллектуальной системы управления ПРОЦЕССОМДЫХАНИЯ В УСТАНОВКЕ «ИСКУССТВЕННЫЕ ЛЕГКИЕ»
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
Средства индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД) - это используемые человеком технические устройства, обеспечивающие защиту организма от вредных и опасных факторов, воздействующих ингаляционно и используемые в экстремальных ситуациях и различных областях жизнедеятельности человека [1, 2]. В зависимости от конструктивного исполнения СИЗОД разделяют на респираторы, противогазы, самоспасатели.
В соответствии с ГОСТ 12.4.034-2001 в зависимости от принципа действия СИЗОД классифицируются на фильтрующие и изолирующие дыхательные аппараты (ИДА) [3].
Фильтрующие СИЗОД используют фильтры, сорбенты и поглотители для очистки окружающего человека воздуха от вредных веществ. Такие СИЗОД обеспечивают эффективную очистку вдыхаемого человеком воздуха и просты в эксплуатации, поэтому они наиболее широко распространены в промышленности. Вместе с тем их недостатком является ограниченная область их применения, что связанно с необходимостью знания состава воздуха рабочей зоны и наличием в нем не менее 17% кислорода. При невыполнении этих условий используются изолирующие СИЗОД.
Изолирующие СИЗОД применяются независимо от состава окружающего человека воздуха. Однако из них только шланговые СИЗОД, которые отличаются относительной простотой в эксплуатации, получили распространение при выполнении обычных технологических операций. Недостатком шланговых СИЗОД является ограниченность передвижения пользователя длиной шланга. Автономные дыхательные аппараты лишены этого недостатка, однако, они более сложны в обращении и требуют высокой квалификации персонала. Они используются, главным образом, работниками специализированных служб при проведении аварийно-спасательных и восстановительных работ.
Для оценки качества (время защитного действия, сопротивление

дыханию, температура газо-воздушной смеси), а также при создании новых СИЗОД, используются специально предназначенные для этого динамические испытательные установки, имитирующие дыхание человека. Такие системы имитации дыхания человека в литературе получили название установки «Искусственные легкие» (ИЛ) [1,3]. Данные установки позволяют исключить проведение испытаний на людях, с целью определения вышеописанных параметров, поскольку они мало объективны, не воспроизводимы вследствие различной физической тренированности, различного метаболизма, а также в ряде случаев опасны. [4]
Согласно п. 14 Положения «Основ государственной политики в области обеспечения химической и биологической безопасности РФ», основными задачами в области развития фундаментальной науки является разработка и внедрение систем индивидуальной защиты человека и разработка специальных медицинских средств защиты и лечения, что входит в перечень критических технологий РФ. Развитие технологии защиты людей от ингаляционных поражений в чрезвычайных ситуациях, а также разработка новых и совершенствование существующих средств индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД) невозможны без проведения испытаний средств защиты в реальных условиях [4].
Оценивать и испытывать СИЗОД возможно двумя способами:
• Испытывать с привлечением добровольцев;
• Испытывать с применением систем имитации дыхания человека -установок ИЛ.
Поскольку проведение испытаний СИЗОД на людях-добровольцах в силу ряда причин возможно лишь в ограниченном объеме, применение установок ИЛ позволяет получить данные об особенностях поведения СИЗОД во всех интересующих исследователей условиях, а также существенно уменьшить, а то и полностью исключить испытания СИЗОД на людях. Испытания с привлечением добровольцев являются малоэффективными и дорогостоящими,

легочной вентиляции (пневмотахограммы дыхания) и состава ГДС. Так же необходимо осуществлять контроль величин давления, температуры, расхода и концентрации газов для расчета необходимого количества подаваемых в установку С02 и N2, а также удаляемой из установки ГДС.
Известны способы управления существующими установками ИЛ, которые в той или иной степени решают данные задачи.
Используемые в настоящее время системы управления испытательными установками ИЛ не позволяют недостаточно точно имитировать дыхание человека [44]. Здесь сказывается такой недостаток установок ИЛ как отсутствие в них полной (по массе и объему) имитации потребления кислорода человеком при различных режимах дыхания и возможности изменения значения дыхательного коэффициента. Так же системы управления действующими установками ИЛ не позволяют контролировать влажность ГДС на выходе из дыхательного аппарата, что не дает достоверно оценивать значение одного из основных параметров качества ИДА - температуру вдыхаемой ГДС, так как допустимые температуры ГДС существенно отличаются для различных значений влажности. Кроме того, во многих установках ИЛ управление параметрами дыхания реализуется только вручную оператором (установки IBM ABMS, Reimers MBMS, US Bureau of Mine (США), установка НПО «Респиратор» (Украина)) [5, 53].
В более современных установках ИЛ (DEEC Inc. ABMS, Sperian Protection S2000) используются компьютеры для управления клапанами на линиях подачи газов и отображения информации о ходе испытания [53].
Система управления, реализованная в установке S2000, позволяет имитировать дыхание с наибольшим приближением к реальным процессам. Установка позволяет воспроизводить циклы дыхания всех типов (синусоидальные, прямоугольные или реальные).
В установке S2000 контролируются величины давления, температуры, расхода, легочной вентиляции и состав газов для дыхания, которые также