摘要：针对气腹机气压和流量调节控制精度差的问题，提出了更高精度的气压和流量控制方法，详细介绍了关键部件步进电机驱动比例阀的详细技术指标。结合这种新的技术手段PID控制器可以提高压力和流量控制的精度±2%以内，可控制任何点，全程自动运行。
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一、提出问题
气腹机是内窥镜腹腔手术的必备设备。其功能是建立人工气腹，将一定压力的二氧化碳分离到腹腔，保持腹腔压力，为手术提供足够的操作空间，避免穿刺套管刺伤腹腔时损坏器官。在手术过程中，需要根据不同的手术部位、腔体大小、患者体质、成人大小、患者体质、成人和儿童进行精确和精细的控制。目前各种气腹机的气压和流量调节控制技术指标如下：
(1)气压调节范围:0~4kPa（30mmHg）。
(2)气压控制精度:±15%。
(3)流量调节范围:0~30L/min。
(4)流量调节精度:±20%。
从上述技术指标可以看出，气腹机气压和流量调节精度差，二氧化碳排放量高。本文将提出更高精度的气压和流量控制方法，并详细介绍关键部件步进电机驱动比例阀的详细技术指标。压力和流量控制精度可以通过这种新的技术手段提高到±在2%以内，二氧化碳排放量和自动运行可以最大限度地减少。
2.改进气腹压力和流量控制方法
目前，气腹机的压力和流量调节控制原理基本上是基于动态平衡的流量调节方法，如图1所示，将两根气腹针插入腹腔作为进出通道，通过调节阀改变进出流量，使气体在腹腔内达到动态平衡。
由于气腹机的充气压力略大于标准大气压的正压，在气腹机的压力控制过程中，压力可以通过保持固定的小流量和单独调节出气流量来准确控制到设定值。
如果在按设定值控制压力的同时需要按要求控制出气流量，则需要同时调整进气流量和出气流量，不使用PID控制难以实现，这也是许多气腹机控制精度差的主要原因。因此，为了保证气腹机压力和流量的控制精度和稳定性，最好PID调节进气和出气流量的控制方法。
此外，气腹机的控制精度也受到影响PID除了控制算法的影响外，还会严重影响进气和出气调节阀的精度和压力传感器的测量精度。目前，压力传感器可以实现高精度、小体积的芯片形式，不在本文的讨论范围内。以下主要讨论了调节阀的改进，以提高气腹机的控制精度。
从图1可以看出，在进气和排气端分别配置一个调节阀。目前调节阀主要有两种形式，一种是开关阀，即通过高频开关阀进行流量调节；另一种是开启阀，即通过改变阀门的开启尺寸来逐渐变化流量调节。
高频开关阀确实可以在进气和出气端分别配置，但不能准确控制出气流量。因此，本文提出的改进方法是利用步进电机驱动的开启阀来实现压力和流量的精确控制，整个控制装置的结构如图2所示。
从图2可以看出，进气比例阀的开度可以在压力控制的情况下固定，PID控制器将根据压力设定值和压力传感器测量值自动调整出口比例阀，使腹部压力迅速达到设定压力和恒定，并根据腹部泄漏自动调整出口比例阀，使腹部压力始终保持稳定。
当压力和流量需要同时控制时，可以固定出气比例阀的开度(根据设定压力和流量计算开度)，PID控制器将根据压力设定值和压力传感器测量值自动调整进气比例阀，使腹部压力迅速达到设定压力和恒定，相应的出气流量在压力稳定后也稳定。
从上述改进方案可以看出，进气和出气比例阀应同时控制，并配备双通道PID控制器，每个通道都向控制功能，从而实现任何设定点的压力和流量自动控制。
该改进方案的核心部件是步进电机驱动的小流量比例阀，阀芯节流内径为0.9mm、响应时间(全关至全开)为0.8s、耐压为7bar、最大流量为50L/min、流量分辨率为0.1L/min、线性度为±步进电机位移分辨率(单步长)为2%.7um、模拟信号0~10VDC工作电源电压24VDC（小于12W）。
三、总结
本文提出的气腹机压力和流量精密控制改进方案采用标准的动态平衡控制方法，采用进气和出气流量自动调节和双通道PID控制器和步进电机驱动的小流量比例阀可以同时精确控制气腹机的压力和流量，达到控制精度±不受腹腔漏气等因素影响。