气囊压力控制器设计报告

1、 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 HYPERLINK l _Toc32140 引言4 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc297721545 1 设计任务 PAGEREF _Toc297721545 h 4 HYPERLINK l _Toc297721546 1.1 设计题目 PAGEREF _Toc297721546 h 4 HYPERLINK l _Toc297721547 1.

2、2 设计要求 PAGEREF _Toc297721547 h 4 HYPERLINK l _Toc297721548 2 设计原理 PAGEREF _Toc297721548 h 4 HYPERLINK l _Toc297721549 2.1 设计原理概述 PAGEREF _Toc297721549 h 4 HYPERLINK l _Toc297721550 2.2 气泵工作原理 PAGEREF _Toc297721550 h 4 HYPERLINK l _Toc297721551 2.3 对象模型分析 PAGEREF _Toc297721551 h 5 HYPERLINK l _Toc297

3、721552 2.4 对象参数测量及计算 PAGEREF _Toc297721552 h 5 HYPERLINK l _Toc297721553 2.5 控制方案分析 PAGEREF _Toc297721553 h 6 HYPERLINK l _Toc297721554 2.6 校正过程分析 PAGEREF _Toc297721554 h 6 HYPERLINK l _Toc297721555 2.7 硬件电路仿真 PAGEREF _Toc297721555 h 8 HYPERLINK l _Toc297721556 3 硬件电路设计 PAGEREF _Toc297721556 h 10 HY

4、PERLINK l _Toc297721557 3.1 传感器电路设计 PAGEREF _Toc297721557 h 10 HYPERLINK l _Toc297721558 3.2 调节器电路设计 PAGEREF _Toc297721558 h 11 HYPERLINK l _Toc297721559 3.3 电源部分电路设计 PAGEREF _Toc297721559 h 12 HYPERLINK l _Toc297721560 4 电路板制作与调试 PAGEREF _Toc297721560 h 12 HYPERLINK l _Toc297721561 4.1 电路板制作 PAGERE

5、F _Toc297721561 h 12 HYPERLINK l _Toc297721562 4.2 电路板调试 PAGEREF _Toc297721562 h 13 HYPERLINK l _Toc297721563 5 设计过程与心得 PAGEREF _Toc297721563 h 13 HYPERLINK l _Toc297721564 5.1 设计过程 PAGEREF _Toc297721564 h 13 HYPERLINK l _Toc297721565 5.2 存在问题 PAGEREF _Toc297721565 h 14 HYPERLINK l _Toc297721566 5.3

6、 课程设计心得 PAGEREF _Toc297721566 h 14 HYPERLINK l _Toc297721567 谢辞 PAGEREF _Toc297721567 h 15 HYPERLINK l _Toc297721568 参考文献 PAGEREF _Toc297721568 h 16 HYPERLINK l _Toc297721569 附 录 PAGEREF _Toc297721569 h 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

7、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

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、 设计任务 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

10、。 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

11、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 + 10.07425 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

12、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、没有测出传递函数的仿真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

13、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、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

14、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R

15、5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

16、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

17、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0-5v、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

18、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