基于工控机的负压控制系统设计与实现

摘要

氧气监控器作为机载供氧系统中的关键设备，其稳定性与可靠性非常重要，对飞行员的生理安全影响重大，需要在其投入使用前进行严格的测试。目前氧气监控器的主要测试方法是手动测试，该方法存在着效率低、精度差、实时性差等缺点，越来越难以满足氧气监控器批量生产测试的要求。随着自动控制等技术的快速发展，航空设备的自动化生产与测试也有了很大的进步。氧气监控器的测试正在朝着自动化的方向发展。本文以某型氧气监控器为对象，采用工控机作为系统控制核心，设计了一种能够为氧气监控器自动化测试提供模拟高空环境的负压控制系统。
　　首先，分析了自动控制领域的主要技术和相关理论。在此基础上，结合本负压控制系统的整体设计需求，提出了系统的总体框架设计方案。系统的总体由硬件和软件两部分构成。硬件部分主要包括气动控制系统的搭建。软件主要是人机交互界面和控制程序的设计与实现。
　　其次，根据设计需求对系统的软件和硬件进行详细的设计。在系统的硬件设计中，利用嵌入式工控机作为控制核心，采用PWM技术控制高速开关阀的方法设计了一种能够准确快速模拟负压环境的负压舱。以真空泵和高速开关阀作为负压舱内的气压调节工具，同时辅以高精度气压传感器和流量传感器协调压力精调。并设计了基于L298N模块的高速开关阀驱动电路、电源电路、数据采集电路等。气压的精确控制是系统设计的关键点，控制算法通过软件编程实现。在Windows系统中基于C＃程序设计语言，开发系统控制软件。软件包括前端用户操作界面、后端数据采集处理及分析、系统控制部分和数据存储的数据库。软件除了提供控制过程的显示，还提供用户的操作功能，同时软件的可扩展性良好。
　　最后，经过大量的对比测试结果表明，该负压控制系统能够快速、准确的模拟高空负压环境，控制精度达到50m的设计需求。且具有高效、可靠、自动化等特性，能满足氧气监控器的测试要求。目前本负压控制系统已经应用到氧气监控器自动化测试平台中了。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景和意义

1．1．1 背景

1．1．2 意义

1．2 气动控制技术的发展

1．2．1 气动控制系统结构

1．2．2 气动控制的国内外研究现状

1．3 本课题研究内容及结构

第二章 课题相关理论基础与技术

2．1 气压控制技术

2．2 高速开关阀的概述

2．2．1 高速开关阀的特点

2．2．2 高速开关阀的工作原理

2．3 PWM控制开关阀原理及结构

2．3．1 PWM的介绍

2．3．2 PWM控制开关阀的结构

2．3．3 PWM控制开关阀的原理

2．4 PID控制算法介绍

2．4．1 常规PID控制算法

2．4．2 改进的PID控制算法

2．4．3 采样周期选择和参数整定

2．5 本章小结

第三章 负压控制系统总体设计

3．1 系统的设计要求

3．2 系统的总体设计

3．3 系统的控制原理

3．4 本章小结

第四章 负压控制系统硬件设计

4．1 系统硬件选型

4．1．1 控制核心的选取

4．1．2 气动元件的选型

4．1．3 传感器的选型

4．1．4 电源的选型

4．2 气路设计

4．3 负压舱设计

4．3．1 负压舱的设计原理

4．3．2 负压舱内气压与高度关系

4．4 高速开关阀驱动电路设计

4．5 电源模块设计

4．6 数据采集模块设计

4．7 本章小结

第五章 负压控制系统软件设计

5．1 软件开发环境

5．2 软件设计需求分析

5．3 主程序设计

5．4 控制程序设计

5．4．1 PWM信号的产生

5．4．2 PWM程序设计

5．4．3 PID控制算法设计

5．5 本章小结

第六章 实验及结果分析

6．1 系统静态控制测试

6．1．1 静态测试原理

6．1．2 静态测试结果

6．2 对比实验

6．2．1 实验条件

6．2．2 实验结果分析及结论

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况