心肺功能评估训练系统的恒功率控制

doi:10.13229/j.cnki.jdxbgxb20170437

吉林大学学报(工学版) ›› 2018, Vol. 48 ›› Issue (4): 1184-1190.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb20170437

心肺功能评估训练系统的恒功率控制

张茹斌^1,2, 占礼葵³, 彭伟^1,2, 孙少明³, 刘骏富^1,2, 任雷⁴

1.中国科学院合肥智能机械研究所,合肥 230031;
2.中国科学技术大学信息科学技术学院,合肥 230026;
3. 中国科学院合肥技术创新工程院,合肥 230088;
4.吉林大学工程仿生教育部重点实验室,长春 130022

收稿日期:2017-04-12 出版日期:2018-07-01 发布日期:2018-07-01
通讯作者: 孙少明(1978-),男,研究员,博士.研究方向:健康体征参数获取.E-mail:sunsm1978@outlook.com
作者简介:张茹斌(1990-),男,博士研究生.研究方向:机电一体化,健康体征参数获取.E-mail:rbzhang_1990@126.com
基金资助:
安徽省科技攻关项目(1604a0902188); 安徽省科技重大专项项目(15czz02072).

Constant power control in cardiopulmonary function evaluation and training system

ZHANG Ru-bin^1,2, ZHAN Li-kui³, PENG Wei^1,2, SUN Shao-ming³, LIU Jun-fu^1,2, REN Lei⁴

1.Institute of Intelligent Machines, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031,China;
2.School of Information Science and Technology, University of Science and Technology of China, Hefei 230026,China;
3.CAS(Hefei) Institute of Technology Innovation, Hefei 230088,China;
4.Key Laboratory of Bionic Engineering, Ministry of Education, Jilin University,Changchun 130022,China

Received:2017-04-12 Online:2018-07-01 Published:2018-07-01

摘要/Abstract

摘要： 针对在心肺功能评估和训练中由于蹬踏速率波动导致运动负荷(功率)无法维持恒定的问题,设计了一种新型磁阻发生装置,可实时、快速、精确地调节阻力,并通过模糊PID控制实现了一定范围内不受蹬踏速率影响的恒功率控制。为验证恒功率控制效果,在改进后的心肺功能评估训练系统和Monark心肺功能评估训练系统上分别进行了恒功率实验,测试结果表明:对于改进后的系统,蹬踏速率在50~70 r/min变化时,实时功率曲线控制在目标功率曲线±8 W内上下波动,2 min内整体平均功率与目标功率误差小于2 W,系统克服了由于蹬踏速率改变而导致人体输出功率无法恒定的问题;相比Monark系统,在相同目标功率及相同蹬踏速率变化条件下,改进后的系统在恒功率控制精度上整体提升了2 W,同时降低了控制误差。

关键词: 自动控制技术, 恒功率, 模糊PID控制, 心肺功能评估训练, 功率车

Abstract: For the non-constant exercise workload (power) due to the fluctuation of pedaling rate in cardiopulmonary function and training system, a new magnetic-resistance generator was designed to adjust the resistance real-timely, instantly and precisely. The constant power can be maintained independent of the pedaling rate within certain range by applying fuzzy PID control theory. To validate the effect of constant power control, experiments were carried out on the improved cardiopulmonary function evaluation and training system and on the Monark cardiopulmonary function evaluation and training system, respectively. Results show that, for the improved system, the instant power curve fluctuates within 8 W of the target power curve, and the control error between the average power during two minutes of the test and the target power is less than 2 W as the pedaling rate changes in the range of 50 r/min to 70 r/min. The new system overcomes the influence of non-constant power output due to the fluctuation of pedaling rate. Compared with the Monark system, the new system improves the constant power control accuracy by 2 W and reduces the control error under the same target power and the same change of pedaling rate.

Key words: automation technology, constant power, fuzzy PID control, cardiopulmonary function evaluation and training, cycle ergometer

中图分类号:

TP29

张茹斌, 占礼葵, 彭伟, 孙少明, 刘骏富, 任雷. 心肺功能评估训练系统的恒功率控制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(4): 1184-1190.

ZHANG Ru-bin, ZHAN Li-kui, PENG Wei, SUN Shao-ming, LIU Jun-fu, REN Lei. Constant power control in cardiopulmonary function evaluation and training system[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(4): 1184-1190.

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