Исследование режимов функционирования испытательного стенда «Искусственные легкие» в системе MATLAB

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 W_л (дм³/мин), глубина дыхания V_д (дм³), частота дыхания n (мин^-1).

Исходный режим для имитационного моделирования:

- глубина дыхания V_д=1.75 дм³;

- частота дыхания n = 20 мин^-1;

- подача диоксида углерода W_CO2(0) = 1.1 дм³/мин;

- коэффициент дыхания, К_д = 1;

- объем системы ИЛ, V_ил = 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 V_д, [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.