氣囊壓力控制器設(shè)計(jì)報(bào)告

1、 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)題 目： 氣囊壓力控制設(shè)計(jì) 院 （系）： 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)： 自動(dòng)化 學(xué)生姓名： 盧朋朋 學(xué) 號(hào)： 0900320123 指導(dǎo)教師： 趙學(xué)軍 李平 龍超 2012 年 3 月 10 日目 錄 HYPERLINK l _Toc32140 引言4 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc297721545 1 設(shè)計(jì)任務(wù) PAGEREF _Toc297721545 h 4 HYPERLINK l _Toc297721546 1.1 設(shè)計(jì)題目 PAGEREF _Toc297721546 h 4 HYPERLINK l _Toc297721547 1.

2、2 設(shè)計(jì)要求 PAGEREF _Toc297721547 h 4 HYPERLINK l _Toc297721548 2 設(shè)計(jì)原理 PAGEREF _Toc297721548 h 4 HYPERLINK l _Toc297721549 2.1 設(shè)計(jì)原理概述 PAGEREF _Toc297721549 h 4 HYPERLINK l _Toc297721550 2.2 氣泵工作原理 PAGEREF _Toc297721550 h 4 HYPERLINK l _Toc297721551 2.3 對(duì)象模型分析 PAGEREF _Toc297721551 h 5 HYPERLINK l _Toc297

3、721552 2.4 對(duì)象參數(shù)測(cè)量及計(jì)算 PAGEREF _Toc297721552 h 5 HYPERLINK l _Toc297721553 2.5 控制方案分析 PAGEREF _Toc297721553 h 6 HYPERLINK l _Toc297721554 2.6 校正過(guò)程分析 PAGEREF _Toc297721554 h 6 HYPERLINK l _Toc297721555 2.7 硬件電路仿真 PAGEREF _Toc297721555 h 8 HYPERLINK l _Toc297721556 3 硬件電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc297721556 h 10 HY

4、PERLINK l _Toc297721557 3.1 傳感器電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc297721557 h 10 HYPERLINK l _Toc297721558 3.2 調(diào)節(jié)器電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc297721558 h 11 HYPERLINK l _Toc297721559 3.3 電源部分電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc297721559 h 12 HYPERLINK l _Toc297721560 4 電路板制作與調(diào)試 PAGEREF _Toc297721560 h 12 HYPERLINK l _Toc297721561 4.1 電路板制作 PAGERE

5、F _Toc297721561 h 12 HYPERLINK l _Toc297721562 4.2 電路板調(diào)試 PAGEREF _Toc297721562 h 13 HYPERLINK l _Toc297721563 5 設(shè)計(jì)過(guò)程與心得 PAGEREF _Toc297721563 h 13 HYPERLINK l _Toc297721564 5.1 設(shè)計(jì)過(guò)程 PAGEREF _Toc297721564 h 13 HYPERLINK l _Toc297721565 5.2 存在問(wèn)題 PAGEREF _Toc297721565 h 14 HYPERLINK l _Toc297721566 5.3

6、 課程設(shè)計(jì)心得 PAGEREF _Toc297721566 h 14 HYPERLINK l _Toc297721567 謝辭 PAGEREF _Toc297721567 h 15 HYPERLINK l _Toc297721568 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc297721568 h 16 HYPERLINK l _Toc297721569 附 錄 PAGEREF _Toc297721569 h 17 摘要 本文敘述了氣囊氣壓自動(dòng)控制的控制器設(shè)計(jì)過(guò)程。著重介紹了控制器的組成結(jié)構(gòu)，氣壓數(shù)據(jù)采集，閉環(huán)控制和PID校正器等。氣囊氣壓經(jīng)過(guò)壓力傳感器轉(zhuǎn)換成電壓值再經(jīng)過(guò)放大電路轉(zhuǎn)換成1-5v的電壓信

7、號(hào)，并將此反饋電壓與給定值比較得到誤差信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)校正器產(chǎn)生控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)氣囊壓力的自動(dòng)控制。 關(guān)鍵詞：壓力傳感器、閉環(huán)控制、PID校正器、氣囊 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

8、 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、

9、PID controller、Air bag 一、 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)題目 利用氣泵對(duì)氣囊進(jìn)行充氣，通過(guò)一個(gè)可調(diào)放氣裝置進(jìn)行放氣，氣壓檢測(cè)采用 壓力傳感器檢測(cè)，設(shè)計(jì)控制器實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)氣囊壓力的自動(dòng)控制1.2 設(shè)計(jì)要求 1.性能指標(biāo)：控制精度2%，超調(diào)量1。2.6 校正過(guò)程分析因加入了固定的積分環(huán)節(jié)，控制模型變?yōu)槎A系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)為：G0= Km/(Tm*s2+s)=4/(5s2+s)設(shè)系統(tǒng)性能指標(biāo)： Mp5%超調(diào)量計(jì)算公式 = exp(-pi* /sqrt(a-*)%=5%,則可以算出阻尼系數(shù)=0.69。相角裕度計(jì)算公式為 =arctan(2*(/sqrt(1+4*4 )-2*2),得出相角裕度65

10、。 圖6 加入積分后的對(duì)象原理圖MATLAB 校正M程序如下：delta=5; %補(bǔ)償量s=tf(s);G=4/(4*s2+s)subplot(2,1,1);margin(G) %校正前的bode圖gm,pm=margin(G); %校正前系統(tǒng)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; %單位換算a=(1+sin(phy)/(1-sin(phy); %求校正器的分度系數(shù)Lm=10*log10(a); %校正器在最大相位處的幅度mag,phase,w=bode(G);%返回bode圖中相應(yīng)的幅值、相位、頻率

11、LdB=20*log10(mag); %原系統(tǒng)的幅值單位轉(zhuǎn)換wm=spline(LdB,w,-Lm); %求出最大超前相位處的頻率T=1/(wm*sqrt(a); %求出校正器的時(shí)間常數(shù)Gc=(1+a*T*s)/(1+T*s) %得到補(bǔ)償后的校正器gmc,pmc=margin(G*Gc) %求取校正后的系統(tǒng)穩(wěn)定裕度subplot(2,1,2);margin(G*Gc) %校正后系統(tǒng)的bode校正后的傳遞函數(shù)： 2.388 s + 10.07425 s + 1 圖7 原系統(tǒng)與校正后系統(tǒng)bode圖從上圖中可以看出原系統(tǒng)的相位裕度為14.2，不符合要求，校正后系統(tǒng)的相位裕度為76，幅值裕度無(wú)窮大，達(dá)

12、到了設(shè)計(jì)要求。用simulink對(duì)原系統(tǒng)及校正后系統(tǒng)進(jìn)行仿真 圖7 原系統(tǒng)與校正后系統(tǒng)的simulink 仿真圖 圖8 原系統(tǒng)和校正后的系統(tǒng)simulink 階躍響應(yīng)曲線由圖8知，原系統(tǒng)有震蕩，校正后系統(tǒng)穩(wěn)定，超調(diào)量和響應(yīng)時(shí)間都減小了，滿足了設(shè)計(jì)要求。2.7 硬件電路的仿真、沒(méi)有測(cè)出傳遞函數(shù)的仿真如何在仿真圖里面模擬壓力傳感器檢測(cè)瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)的過(guò)程，首先想到的一個(gè)辦法就是用滑動(dòng)變阻器做電橋的一個(gè)橋臂，通過(guò)改變滑動(dòng)變阻器的阻值來(lái)模擬壓力傳感器的電壓的輸出，但是這樣有一個(gè)問(wèn)題電路沒(méi)有自我調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，即所謂的閉環(huán)系統(tǒng)！最后想到電機(jī)兩端的電壓對(duì)電阻和電容組成的慣性環(huán)節(jié)進(jìn)行充電，從而把電容兩端的電壓作為

13、差分放大電路的輸入，差分放大電路輸出反饋到輸入端！ 圖10 仿真電路的階躍響應(yīng)、測(cè)出傳遞函數(shù)的仿真仿真的階躍響應(yīng)曲線： 三、硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 傳感器電路和差分電路圖11：傳感器內(nèi)部接線圖 所采用的壓力傳感器為PSG010壓力傳感器，輸出為毫伏級(jí)電壓，正比于輸入壓力，輸出電壓范圍0-65mv。-Vout傳感器的供電電壓為5V，由+12V電壓經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯片7805穩(wěn)壓和濾波后接入壓力傳感器4的2，5腳，1，4腳為正比于壓力的毫伏級(jí)壓差輸出，在第6腳和第1腳連接一個(gè)10K的精調(diào)電阻，用于調(diào)節(jié)電橋平衡，即調(diào)零。信號(hào)放大電路使用LM324，使用其中的4個(gè)運(yùn)放構(gòu)成差分輸入的儀器放大器，其輸入阻抗高，增益

14、大益大而且可調(diào)，在較大的增益范圍內(nèi)能保持線性特，并且電路的放大倍數(shù)越大，共模抑制比越大，對(duì)共模 噪聲信號(hào)起到很好的抑制作用。其放大倍數(shù)Kp=(1+(R9+R10)/Rm2) ,通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器 Rm2的阻值可以電壓放大倍數(shù)，輸出電壓Vo= -Kp（Vout+ - Vout-）。首先對(duì)壓力傳感器進(jìn)行調(diào)零，然后調(diào)節(jié)Rm2是反饋電壓的反饋為0到5v.,在差分放大電路的輸出端加入電容是為了抑制高頻信號(hào) 3.2 減法器和驅(qū)動(dòng)電路 圖12 減法器和驅(qū)動(dòng)電路通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器Rm1來(lái)調(diào)節(jié)輸入電壓的大小，給定電壓與反饋電壓做差值得到誤差值，從而產(chǎn)生控制信號(hào)，用功率管TIP122對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行功率放大，其中R

15、5的阻值越小得到的功率越大，然后驅(qū)動(dòng)氣泵。3.3 調(diào)節(jié)器的電路設(shè)計(jì) 不完全微分用三個(gè)兩個(gè)電位器和一個(gè)電容搭建，因要消除靜差，給對(duì)象加入一個(gè)固定的積分環(huán)節(jié),積分時(shí)間常數(shù)Ti=0.1 因此，R15=100k，C4=1uf。由不完全微分的傳遞函數(shù)G(s)= - K*(1+A*T*S)/(1+T*S)K=Rm4/Rm3 T=Rm9*C5 A=(Rm3+Rm9)/Rm9;根據(jù)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選C5=10uF，得Rm3=240K,Rm9=7K在此范圍

16、內(nèi)進(jìn)行微調(diào)直到滿足設(shè)計(jì)要求。 四、電路板的制作與調(diào)試4.1 電路板的制作 圖14： 氣囊壓力控制器PCB實(shí)際電路中，采用2個(gè)LM324四運(yùn)放，雙電源供電，傳感器調(diào)零部分及調(diào)整最大反饋電壓部分、調(diào)節(jié)器不完全微分的電阻均采用精密可調(diào)電位器，壓力傳感器采用MD-PSG010型壓力傳感器，電源部分采用7805，同時(shí)引出多個(gè)測(cè)試點(diǎn)，方便調(diào)試。做pcb時(shí)，敷銅，大面積接地，提高電路板抗干擾能力。焊好電路板后，要檢查電路板是否有短路、斷路和虛焊。檢查各個(gè)元件的極性是否正確。檢查完畢后，涂上酒精松香溶液，防止線路氧化。4.2 電路板的調(diào)試 1）傳感器的輸出調(diào)零在不對(duì)氣囊充氣的情況下，調(diào)節(jié)精密電位器使壓力傳感器

17、的1、4腳輸出電壓差為零；然后再調(diào)節(jié)精密電阻使差分放大電路的輸出為零。 2）電壓給定值的調(diào)節(jié) 調(diào)節(jié)Rm1使輸出電壓的范圍在0-5v、調(diào)節(jié)器的參數(shù)調(diào)節(jié) 根據(jù)MATLAB設(shè)計(jì)出的校正器，選好電阻電容并調(diào)節(jié)好，然后用示波器觀察系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和用萬(wàn)用表測(cè)出反饋電壓值、給定電壓值，測(cè)量校正后系統(tǒng)的性能指標(biāo)，若仿真得出的數(shù)據(jù)在實(shí)際電路中得不到理想的性能指標(biāo)，則在仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào)，直到完全符合設(shè)計(jì)要求為止。調(diào)試方法：增大比例系數(shù)P一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但是過(guò)大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有比較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使穩(wěn)定性變壞。 增大積分時(shí)間I有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定

18、性增加，但是系統(tǒng)靜差消除時(shí)間變長(zhǎng)。 增大微分時(shí)間D有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使系統(tǒng)超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力減弱。 由于積分時(shí)間已經(jīng)固定，所以只能調(diào)節(jié)P和D了。Rm9增大，微分時(shí)間D增大，調(diào)節(jié)Rm4/Rm3 的值來(lái)調(diào)節(jié)P的大小，直到所有的性能指標(biāo)都滿足了。 圖15 系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線從圖中可以看出校正后的系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間為8s，超調(diào)量為4%，滿足了設(shè)計(jì)要求.測(cè)試數(shù)據(jù)和結(jié)果圖給定值/V12.0134反饋值/V0.992.002.984.01 圖16 測(cè)試結(jié)果圖 五、 設(shè)計(jì)過(guò)程與心得5.1 設(shè)計(jì)過(guò)程通過(guò)認(rèn)真聽(tīng)取老師的講解，了解了氣壓控制系統(tǒng)的基本原理和組成結(jié)構(gòu)對(duì)氣囊壓力控制器的基本電路進(jìn)行了仿真，知道了電路的正確性3、對(duì)原系統(tǒng)的傳遞函數(shù)進(jìn)行測(cè)試，知道了被控對(duì)象的傳遞函數(shù)模型4、通過(guò)查閱書(shū)本和參考資料，完成了校正裝置的設(shè)計(jì)，并且對(duì)校正裝置進(jìn)行了仿真。5、完成了電路的設(shè)計(jì)與制作。6、對(duì)校正