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.


Обсуждение

Социальные комментарии Cackle