气囊压力控制器设计报告.doc

课程设计说明书题 目： 气囊压力控制设计 院 （系）： 电子工程与自动化学院 专 业： 自动化 学生姓名： 卢朋朋 学 号： 0900320123 指导教师： 赵学军 李平 龙超 2012 年 3 月 10 日目 录引言41 设计任务41.1 设计题目41.2 设计要求42 设计原理42.1 设计原理概述42.2 气泵工作原理42.3 对象模型分析52.4 对象参数测量及计算52.5 控制方案分析62.6 校正过程分析62.7 硬件电路仿真83 硬件电路设计103.1 传感器电路设计103.2 调节器电路设计113.3 电源部分电路设计124 电路板制作与调试124.1 电路板制作124.2 电路板调试135 设计过程与心得135.1 设计过程135.2 存在问题145.3 课程设计心得14谢辞15参考文献16附 录17 摘要 本文叙述了气囊气压自动控制的控制器设计过程。着重介绍了控制器的组成结构，气压数据采集，闭环控制和PID校正器等。气囊气压经过压力传感器转换成电压值再经过放大电路转换成1-5v的电压信号，并将此反馈电压与给定值比较得到误差信号，然后经过校正器产生控制信号，实现气囊压力的自动控制。 关键词：压力传感器、闭环控制、PID校正器、气囊 AbstractThis paper describes the process of designing the air pressure automatic control system.And it mainly introduces the controller structure、 pressure data acquisition、closed-loop and PID corrector and so on .The pressure of the gasbag is converted into voltage signal by pressure sensor and the voltage signal is amplified by amplifier as a feedback voltage . The difference comparing a given value with feedback voltage is used to produce a control signal that can control.Key words：Pressure Sensor、Closed-loop control、PID controller、Air bag 一、 设计任务1.1 设计题目 利用气泵对气囊进行充气，通过一个可调放气装置进行放气，气压检测采用 压力传感器检测，设计控制器实现实现气囊压力的自动控制1.2 设计要求 1.性能指标：控制精度2%，超调量1。2.6 校正过程分析因加入了固定的积分环节，控制模型变为二阶系统，其传递函数为：G0= Km/(Tm*s2+s)=4/(5s2+s)设系统性能指标： Mp5%超调量计算公式 = exp(-pi* /sqrt(a-*)%=5%,则可以算出阻尼系数=0.69。相角裕度计算公式为 =arctan(2*(/sqrt(1+4*4 )-2*2),得出相角裕度65。 图6 加入积分后的对象原理图MATLAB 校正M程序如下：delta=5; %补偿量s=tf(s);G=4/(4*s2+s)subplot(2,1,1);margin(G) %校正前的bode图gm,pm=margin(G); %校正前系统的相位裕度和幅度裕度phy=70; %期望的相位裕度phym=phy-pm+delta;%最大超前相角phy=phy*pi/180; %单位换算a=(1+sin(phy)/(1-sin(phy); %求校正器的分度系数Lm=10*log10(a); %校正器在最大相位处的幅度mag,phase,w=bode(G);%返回bode图中相应的幅值、相位、频率LdB=20*log10(mag); %原系统的幅值单位转换wm=spline(LdB,w,-Lm); %求出最大超前相位处的频率T=1/(wm*sqrt(a); %求出校正器的时间常数Gc=(1+a*T*s)/(1+T*s) %得到补偿后的校正器gmc,pmc=margin(G*Gc) %求取校正后的系统稳定裕度subplot(2,1,2);margin(G*Gc) %校正后系统的bode校正后的传递函数： 2.388 s + 1-0.07425 s + 1 图7 原系统与校正后系统bode图从上图中可以看出原系统的相位裕度为14.2，不符合要求，校正后系统的相位裕度为76，幅值裕度无穷大，达到了设计要求。用simulink对原系统及校正后系统进行仿真 图7 原系统与校正后系统的simulink 仿真图 图8 原系统和校正后的系统simulink 阶跃响应曲线由图8知，原系统有震荡，校正后系统稳定，超调量和响应时间都减小了，满足了设计要求。2.7 硬件电路的仿真1) 、没有测出传递函数的仿真2)如何在仿真图里面模拟压力传感器检测瓶内压强的过程，首先想到的一个办法就是用滑动变阻器做电桥的一个桥臂，通过改变滑动变阻器的阻值来模拟压力传感器的电压的输出，但是这样有一个问题电路没有自我调节的动态过程，即所谓的闭环系统！最后想到电机两端的电压对电阻和电容组成的惯性环节进行充电，从而把电容两端的电压作为差分放大电路的输入，差分放大电路输出反馈到输入端！ 图10 仿真电路的阶跃响应（2） 、测出传递函数的仿真仿真的阶跃响应曲线： 三、硬件电路设计 3.1 传感器电路和差分电路图11：传感器内部接线图 所采用的压力传感器为PSG010压力传感器，输出为毫伏级电压，正比于输入压力，输出电压范围0-65mv。-Vout传感器的供电电压为5V，由+12V电压经过稳压芯片7805稳压和滤波后接入压力传感器4的2，5脚，1，4脚为正比于压力的毫伏级压差输出，在第6脚和第1脚连接一个10K的精调电阻，用于调节电桥平衡，即调零。信号放大电路使用LM324，使用其中的4个运放构成差分输入的仪器放大器，其输入阻抗高，增益大益大而且可调，在较大的增益范围内能保持线性特，并且电路的放大倍数越大，共模抑制比越大，对共模 噪声信号起到很好的抑制作用。其放大倍数Kp=(1+(R9+R10)/Rm2) ,通过调节滑动变阻器 Rm2的阻值可以电压放大倍数，输出电压Vo= -Kp（Vout+ - Vout-）。首先对压力传感器进行调零，然后调节Rm2是反馈电压的反馈为0到5v.,在差分放大电路的输出端加入电容是为了抑制高频信号 3.2 减法器和驱动电路 图12 减法器和驱动电路通过调节滑动变阻器Rm1来调节输入电压的大小，给定电压与反馈电压做差值得到误差值，从而产生控制信号，用功率管TIP122对控制信号进行功率放大，其中R5的阻值越小得到的功率越大，然后驱动气泵。3.3 调节器的电路设计 不完全微分用三个两个电位器和一个电容搭建，因要消除静差，给对象加入一个固定的积分环节,积分时间常数Ti=0.1 因此，R15=100k，C4=1uf。由不完全微分的传递函数G(s)= - K*(1+A*T*S)/(1+T*S)K=Rm4/Rm3 T=Rm9*C5 A=(Rm3+Rm9)/Rm9;根据MATLAB仿真所得的控制器模型，Gc(s)= （2.388s + 1）/(0.07425 s + 1)得 (Rm3+Rm9)*C5=2.388,Rm9*C5=0.07425选C5=10uF，得Rm3=240K,Rm9=7K在此范围内进行微调直到满足设计要求。 四、电路板的制作与调试4.1 电路板的制作 图14： 气囊压力控制器PCB实际电路中，采用2个LM324四运放，双电源供电，传感器调零部分及调整最大反馈电压部分、调节器不完全微分的电阻均采用精密可调电位器，压力传感器采用MD-PSG010型压力传感器，电源部分采用7805，同时引出多个测试点，方便调试。做pcb时，敷铜，大面积接地，提高电路板抗干扰能力。焊好电路板后，要检查电路板是否有短路、断路和虚焊。检查各个元件的极性是否正确。检查完毕后，涂上酒精松香溶液，防止线路氧化。4.2 电路板的调试 1）传感器的输出调零在不对气囊充气的情况下，调节精密电位器使压力传感器的1、4脚输出电压差为零；然后再调节精密电阻使差分放大电路的输出为零。 2）电压给定值的调节 调节Rm1使输出电压的范围在0-5v3） 、调节器的参数调节 根据MATLAB设计出的校正器，选好电阻电容并调节好，然后用示波器观察系统的阶跃响应和用万用表测出反馈电压值、给定电压值，测量校正后系统的性能指标，若仿真得出的数据在实际电路中得不到理想的性能指标，则在仿真的基础上进行微调，直到完全符合设计要求为止。调试方法：增大比例系数P一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但是过大的比例系数会使系统有比较大的超调，并产生振荡，使稳定性变坏。 增大积分时间I有利于减小超调，减小振荡，使系统的稳定性增加，但是系统静差消除时间变长。 增大微分时间D有利于加快系统的响应速度，使系统超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱。 由于积分时间已经固定，所以只能调节P和D了。Rm9增大，微分时间D增大，调节Rm4/Rm3 的值来调节P的大小，直到所有的性能指标都满足了。 图15 系统的阶跃响应曲线从图中可以看出校正后的系统的调节时间为8s，超调量为4%，满足了设计要求.测试数据和结果图给定值/V12.0134反馈值/V0.992.002.984.01 图16 测试结果图 五、 设计过程与心得5.1 设计过程1、 通过认真听取老师的讲解，了解了气压控制系统的基本原理和组成结构2、 对气囊压力控制器的基本电路进行了仿真，知道了电路的正确性3、对原系统的传递函数进行测试，知道了被控对象的传递函数模型4、通过查阅书本和参考资料，完成了校正装置的设计，并且对校正装置进行了仿真。5、完成了电路的设计与制作。6、对校正后系统进行调试，达到了预期性能指标，完成了课程设计。5.2存在问题在调试过程中，发现存在一定的静差，且会出现积分饱和。但由于在设计时已将积分环节设计为固定的，因此发现问题也无法再改进，这是本设计的不足之处。若在设计时积分环节设计为参数可调的（即使用可调电阻），可调整积分环节参数，直到完全消除静差。5.3课程设计心得通过课程设计，我掌握了气囊压力控制系统的基本原理和组成，巩固了自动控制原理知识，掌控了自动控制原理在实际中的应用，提高了对控制系统的理论分析与设计能力，提高了自己的实践动手能力。由于是新的题目，给了我们很多想象的空间，例如我们用饮料瓶来当做气囊，大大降低了了成本。谢辞本次设计能够完成得到了许多帮助，首先感谢赵学军老师，李平老师以及龙超老师的耐心指导，为我们指出了设计的各种不足指出，并一次次为我们解决了调试过程中出现的各种问题