科研项目方案——高原微压富氧舱控制系统设计.pdfVIP

项目方案

一、项目名称

高原微压富氧舱控制系统设计

二、项目实施内容

青藏高原地区平均海拔超过4500米，大气压强随着海

拔上升而下降，空气越稀薄空气中的氧分压越低。高原缺

氧的环境对人体神经、呼吸、循环等器官、系统存在不同

程度的影响。高压氧疗法在缺氧引起的高原性疾病有了满意

疗效，但是高压氧舱作为医疗器材需要专门场地、医护人员

无法推广到日常使用，在此背景下本课题提出了微压富氧舱

概念，作为国内第一款民用加压氧舱设备，用于西藏群众、

游客等日常生活使用。

微压富氧舱在高压氧舱的基础上增加舱内弥散供氧营

造富氧环境。目前国内的高压氧舱设备主要控制舱室内的压

力，缺少对舱内氧浓度的监控，且由于缺少对压力和氧浓度

控制算法的理论研究，导致控制效果差、自动化程度不高。

本项目针对高压氧舱设备现存不足，根据微压富氧舱功能要

求进行控制系统设计，具体内容如下：

首先，参照《医用空气加压氧舱》(GB/T12130-2005)国

家标准，对微压富氧舱进行各个部分系统设计如舱室系统、

压力系统、供氧系统等。据舱内微压富氧环境要求进行系统

的管路设计；以西门子1215PLC为主控PLC建立了微压富氧

舱控制系统。

其次，根据微压富氧舱压力速度变化、供氧量要求，在

可压缩流体一维等熵流动理论的基础上计算各部分的管径

理论值，根据理论管径值对电动调节阀和质量流量控制选

型。同时建立舱内压力、氧浓度数学模型，分析系统特性发

现压力和氧浓度之间存在耦合特性。

此外设计舱内电视机屏幕数据监控系统，由PLC自由口

通信和视频字符叠加器组合实现。最后在系统控制要求基础

上，设计控制系统流程和上位机WINCC人组态界面及触摸屏

人机界面，增加了自动化程度。

三、项目完成指标

1、参照国家《医用空气加压氧舱》(GB/T12130-2005)

国家标准，对微压富氧舱进行了各部部分系统设计主要包

括舱室系统、压力系统、供氧系统等。

2、以舱内环境为对象，建立舱内压力和氧浓度数学模

型，通过simulink进行控制系统仿真，先通过Z-N法整定

两组PI控制参数进行PI控制系统仿真。

3、进行控制系统设计，完成系统硬件设备进行选型并

进行控制系统软件设计，设计系统人机交互界面。

4、设计基于PLC自由口通信的舱内数据显示系统，PLC

通过RS485接口与视频字符叠加器通信发送舱内环境数据并

在舱内电视机上显示。

四、项目技术路线

本课题在国内现有高压氧舱的技术基础上，针对微压富

氧舱舱内环境要求及参数指标进行控制系统研究。分析国内

高压氧舱现存不足，对高压氧舱控制系统进行改进以控制压

力变化和舱内氧浓度值为目标，实现舱内微压富氧环境。在

满足系统技术指标的基础上进行了包括系统管路设计、控制

系统设计、压力和氧浓度控制方法研究等工作。主要研究技

术路线如下：

（1）微压富氧舱控制系统的总体设计；

（2）建立管道气体流量模型，完成电动调节阀和质量

流量控制器选型；

（3）建立舱内压力和氧浓度数学模型；

（4）舱内压力和氧浓度特性分析及控制算法研究；

（5）控制系统设计及人机交互界面设计。

五、项目创新点

本课题创新点如下：

（1）在高压氧舱的基础上，增加了弥散供氧实现舱内

微压富氧环境，完成控制系统设计，管道系统设计。

（2）根据压缩流体一维等熵流动理论完成管道大小计

算，指导完成电动调节阀和质量流量控制器选型。

（3）建立了舱内压力和氧浓度数学模型，进行控制算

法研究，针对压力和氧浓度之间关系特性，压力采用PI控

制、氧浓度采用神经网络PID控制。

（4）通过OPC实现WINCC与MATLAB联合控制，增加氧

浓度控制算法可靠性。

六、市场前景分析

为推进健康中国建设、提高人民健康水平，中共中央、

国务院于2016年10月25日印发并实施了《“健康中国2030”

规划纲要》，高原地区预防和治疗高原病、提高高原低氧耐

受能力对提高人们的健康水平至关重要。

微压富氧舱是在高压氧舱的基础上研发设计的一款民

用加压氧舱设备，相对高压氧舱，微压富氧舱舱内环境压力

不超过一个大气压同时提供