Библиографическое описание:

Иванов А. М., Оневский П. М., Третьяков А. А. Исследование режимов функционирования испытательного стенда «Искусственные легкие» в системе MATLAB [Текст] // Современные тенденции технических наук: материалы Междунар. науч. конф. (г. Уфа, октябрь 2011 г.). — Уфа: Лето, 2011. — С. 42-45.

Рассматривается моделирование функционирования в системе Matlab комплекса «Искусственные легкие», предназначенного для имитации процессов дыхания человека при испытании индивидуальных дыхательных аппаратов изолирующего типа.


Индивидуальные дыхательные аппараты (ИДА) для защиты органов дыхания изолирующего типа с химически связанным кислородом используются в различных областях в экстремальных ситуациях: на земле и под землей, в космосе и на транспорте, на воде и под водой.

      В настоящее время испытательный стенд «Искусственные легкие» (ИЛ) является основным инструментом для определения характеристик ИДА, что не требует привлечения людей-добровольцев.

      Недостатками существующих зарубежных и отечественных стендов «Искусственные легкие» (ИЛ) являются невозможность изменения формы дыхательной кривой и реализации математическим и программным обеспечением автоматизированной системы управления установки дыхательного коэффициента меньше 1 (т.е. при снижении производительности регенеративного патрона ИДА). Поэтому создание автоматизированного испытательного стенда, позволяющего реализовать значение дыхательного коэффициента в диапазоне 0.8 – 1.2 является актуальной задачей. Решение данной задачи невозможно без проведения имитационных исследований с использованием современных средств моделирования.

Испытательный стенд ИЛ состоит из четырех основных блоков: блок подачи диоксида углерода и азота, блок имитации дыхания, блок имитации потребления кислорода (по массе и объему), блок управления [1, с. 591].

Блок имитации дыхания создает пульсирующий поток газовой дыхательной смеси (ГДС), аналогичный потоку, формируемому легкими человека. Блок работает поочередно в режиме вдоха и выдоха.

Аналогично в двух режимах работает блок имитации потребления кислорода путем сброса части ГДС в атмосферу через соответствующие клапаны. Подача смеси диоксида углерода и азота в имитатор дыхания происходит на стадии вдоха.

Для проведения имитационных исследований функционирования стенда при различных психофизиологических состояниях человека необходимо использовать математическую модель потребления кислорода пользователем ИДА.

Основными входными параметрами модели являются: легочная вентиляция Wл (дм3/мин), глубина дыхания Vд (дм3), частота дыхания n (мин-1).

      Исходный режим для имитационного моделирования:

- глубина дыхания Vд=1.75 дм3;
- частота дыхания n = 20 мин-1;
- подача диоксида углерода WCO2(0) = 1.1 дм3/мин;
- коэффициент дыхания, Кд = 1;
- объем системы ИЛ, Vил = 10 дм3.

      Задачей исследования является обеспечение заданной концентрации диоксида углерода на входе в ИДА (т.е. на выдохе из ИЛ) и определение кривых дыхания, реализующих данную концентрацию, путем автоматизации процессов управления стендом ИЛ.

      Основные соотношения математической модели:

- подача диоксида углерода за такт вдоха-выдоха:

, дм3;

- потребление кислорода за такт вдоха-выдоха:

, дм3.

Состав ГДС в испытательном стенде перед первым циклом вдоха-выдоха принимался равным атмосферному: =0.2%; = 21%; = 100 - - = 78.8 %.

Объемы газов, поступающих в насос ИЛ для схемы с имитацией потребления кислорода по массе и объему:

, дм3,

, дм3,

, дм3,

где , , – объемные доли газов в атмосферном воздухе, %.

На выдохе соответственно имеем:

,

,

,

где , , – объемные доли газов на выдохе, %.

Далее полученные значения , , подставляются вместо , , и так далее для других циклов.

На рис.1 представлена модель стенда ИЛ, реализованная с помощью пакета моделирования динамических систем Simulink, входящий в состав пакета прикладных программ Matlab.

      Рис. 1. Simulink-модель стенда ИЛ

      На рис. 2-4 представлены результаты имитационных исследований. Они характеризуют переходные режимы работы стенда ИЛ для различных заданных концентраций диоксида углерода на входе в ИДА.

Рис. 2. Концентрация CO2 в искусственных легких

1 - =0.025, 2 - =0.03, 3 - =0.035, 4 - =0.04

      На рис. 3, 4 показаны кривые дыхания, реализующие заданные концентрации диоксида углерода.

Рис. 3. Глубина дыхания Vд, [л]

      1 - =0.025, 2 - =0.03, 3 - =0.035, 4 - =0.04

Рис. 4. Частота дыхания n [1/min]

1 - =0.025, 2 - =0.03, 3 - =0.035, 4 - =0.04

      Результаты моделирования показывают, что испытательный комплекс выходит на номинальный режим работы (=0,03) менее чем за 5 минут с точностью до 0,1%, что подтверждается результатами испытаний реального стенда при «ручном» управлении. С увеличением концентрации диоксида углерода на выходе из блока имитации дыхания уменьшается глубина и частота дыхания. Минимальная частота дыхания ограничивалась величиной 15 min-1.

      Автоматизация процессов управления стендом ИЛ повысит точность воспроизведения реальных дыхательных процессов, присущих человеку в различных психофизиологических состояниях.

      Полученные результаты могут быть использованы при принятии оптимальных проектных решений на всех этапах разработки и сопровождения ИЛ.


Литература:

1. Гудков, С.В. Совершенствование методики испытания изолирующих дыхательных аппаратов с химически связанным кислородом / С.В. Гудков, Д.С. Дворецкий, А.Ю. Хромов // Вестник ТГТУ. 2009. Том 15. № 3. С. 589-597.


Основные термины: диоксида углерода, частота дыхания, имитации дыхания, концентрации диоксида углерода, потребления кислорода, управления стендом ИЛ, глубина дыхания, блок имитации дыхания, имитации процессов дыхания, имитации потребления кислорода, блок имитации потребления, «Искусственные легкие», Блок имитации дыхания, блока имитации дыхания, дыхания vд=1.75 дм3, Минимальная частота дыхания, дыхания изолирующего типа, имитационных исследований, определение кривых дыхания, имитатор дыхания

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle