CN102644616A

CN102644616A - 一种控制系统

Info

Publication number: CN102644616A
Application number: CN2012101391126A
Authority: CN
Inventors: 刘长明; 沈小林; 王凡; 唐道光
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2012-05-08
Filing date: 2012-05-08
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2032-05-08
Also published as: CN102644616B

Abstract

本发明提供了一种控制系统，包括ARM7处理器、输出信息显示装置、报警装置、按键控制装置，以及风机连接控制接口。具有功能设定简单、控制精度高的特点。

Description

一种控制系统

技术领域

本发明涉及一种控制系统，具体地说涉及一种用于医用呼吸机的外转子轴流风机的控制系统。

背景技术

现有医用呼吸机在研制过程中不仅要完成设备的研发，还要对已有的风机进行性能测试和对通气量进行精准的测量。初期在实验室需要用模拟肺来进行初期数据采集和理论公式的验证；后期还需在动物身上做呼吸实验，分析相关数据。所以要设计一个实用的呼吸机设备，对通气量精确的控制是十份关键的，通气量的控制转换到技术角度即是对风机的转速调节。

本设计是采用的外转子轴流风机作为通气控制的主体，但是在市面上买到的控制器产品或外转子轴流风机供应商提供的轴流风机控制器，采用简单的51单片机控制，用单纯的PWM脉宽调制控制，存在控制精度低，调节时间长，稳速控制时波动较大。由于51单片机是8位字长控制器，所以在PWM脉宽调制的时候占空比调节范围也是在0～255之间，对于转速大于5000r/min甚至大于10000r/min的轴流风机控制，占空比调节5000(转)/256≈19.5(转)，有差不多20转的误差，很显然控制精度较低。本发明的控制的电机转速是面向0～6000r/min甚至0～10000r/min的轴流风机很显然不适合。由于采用单纯的PWM脉宽调制控制，从一个稳速过程到新设置的稳速过程，如果增量较大PWM占空比的自动调节时间也较长，达到稳定后不采用适合的控制算法会产生较大的转速波动，存在控制精度低，转速误差波动大，阶跃性能较低，显示功能简单，设置功能简单的缺陷。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种功能设定简单、控制精度高的控制系统。

其技术方案如下：

一种控制系统，包括ARM7处理器、输出信息显示装置、报警装置、按键控制装置，以及风机连接控制接口。

所述输出信息显示装置显示的内容为转速和通气量的信息。

所述报警装置为风机脱落报警及风机故障报警装置。

所述按键控制装置用于选择工作模式及调节转速。

所述风机连接控制接口连接外转子轴流风机。

本发明的有益效果：

通过本发明的技术方案对呼吸机的外转子轴流风机的控制可以完成对呼吸机的通气量进行精确调节，体积小，开发成本低，使用简单，功能丰富，安全系数高。系统调节时间比目前市面上买到的产品大约降低了1S；由于轴流风机的属性低速稳速波动大于高速稳速波动，对于0～6000r/min的轴流风机尤其是稳速过程系统在低速段小于2000r/min的情况的波动±4转，转速大于2000r/min情况下波动为±2转，较其他产品±15转的波动有明显降低。

附图说明

图1是本发明控制系统的结构示意图；

图2是轴流风机调速主流程图；

图3是算法调节流程图；

图4是输出信息显示流程图。

具体实施方式

下面结合附图具体实施方式对本发明的方法作进一步详细地说明。

参照图1，一种控制系统，包括ARM7处理器、输出信息显示装置、报警装置、按键控制装置，以及风机连接控制接口。所述输出信息显示装置显示的内容为转速和通气量的信息。所述报警装置为风机脱落报警及风机故障报警装置。所述按键控制装置用于选择工作模式及调节转速。所述风机连接控制接口连接外转子轴流风机。

输出信息显示装置：由于显示的内容较少，显示转速或者通气量数值或者错误状态等信息，显示内容均是数字和字符信息，为了节省成本采用共阳极的7段LED数码管。

报警装置：当轴流风机连接脱落或者轴流风机故障采用蜂鸣器报警；当轴流风机故障切断轴流风机电源以免影响到控制电路的运行。本发明是在轴流风机电源上设计一个常闭继电器，当检测到轴流风机故障信号或者控制过程中转速为0r/min，将常闭继电器断开切断轴流风机电源。

按键控制部分：控制面板上设置了两个控制开关和两个控制按键。两个开关分别是电源开关和工作模式选择开关，工作模式开关可以设定当前是稳速控制还是呼吸模式控制。两个按键功能分别为转速增加和转速降低，长按住转速增加按键2S系统进入通气量数值显示模式，长按住转速减小按键2S系统进入转速显示模式。

按键控制装置：本发明对外转子轴流风机的控制主要采用的仍然是PWM脉宽调制的方法，关键是PID控制算法相结合，目的是稳定轴流风机控制端的控制电压。轴流风机转动一圈轴流风机上的霍尔器件送回两个脉冲信号，即为转速的检测信号。将其连接到LPC2368的捕获引脚上，通过对返回脉冲信号的时间间隔采样可以计算出轴流风机的实时转速。这样就可以计算出实时转速和目标设定转速的偏差值，这个偏差值正是控制的关键参数。

控制系统选择的是32位的LPC2368 ARM7处理器，该处理器功能比51单片机强大的多，有专用的PWM输出端口，可以很容易的设置PWM的频率和占空比，32位的处理器肯定能满足控制精度要求。如果要采用硬件的方法进行转速的调节会增加设计成本，所以本发明在轴流风机系统的转速调节采用的是软件的方案来实现，调节过程包括两部分一部分是预设过程另一部分是调节过程。

预设过程：为了提高系统的响应速度在软件设计过程中，在新的转速设置调节之前先计算出预设PWM占空比的数值作为新的控制量送给轴流风机，以便其可以更快的到达预设转速。计算方法为：轴流风机预设PWM占空比＝(轴流风机预设转速/轴流风机的转速范围)*100％+超调量±5％。公式中“(轴流风机预设转速/轴流风机的转速范围)*100％”为理论转速对应的占空比，目的是减少占空比自动调节增加(减少)过程中的时间消耗，这样可以直接进入设定转速控制区；“超调量±5％”是为了增加系统响应速度。因为PWM可以瞬时调节占空比，但是轴流风机不能瞬时速度提升或者降低要有一个调节过程，所以在预设的时候对计算的理论值增加(减少)一定的超调量可以更好的提高系统的响应速度。这样也可以改善后面在调节过程开始的时候因为超调量过大增加上升时间和增加震荡时间的情况。

调节过程：采用的传统的PID控制算法，PID数字控制公式如下所示：

u (k) = K_{p} e (k) + K_{1} Σ_{j = 0}^{k} e (j) + K_{D} [e (k) - e (k - 1)] + u_{0}

K_{I} = \frac{K_{P} T_{S}}{T_{I}}

K_{D} = \frac{K_{P} T_{D}}{T_{S}}

式中u₀为控制量的基值，即k＝0(k为采用次数)时的控制值，u(k)为第k个采样时刻的控制，K_P为比例放大系数，K_I为积分放大系数，K_D为微分放大系数，T_S为采样周期，T_I为积分时间T_D为微分时间。算法中，为了求和，必须将系统偏差的全部过去值e(j)(j＝1，2，3，...，k)都存储起来。这种算法得出控制量的全量输出u(k)，是控制量的绝对数值。在控制系统中，这种控制量确定了执行机构的位置，所以将这种算法称为“位置算法”。

采样周期T_S选择的是0.2S，即为0.2S检测一次位置偏差，计算新的设定值。根据实验得到符合控制精度的K_P、K_I、K_D数值，由于LPC2368控制器不适合做浮点运算，所以在运算的时候将各个参数和误差值都扩大1000倍后取整后再进行运算，最后将得到的设定值在缩小1000倍应用于控制。

呼吸转速控制与稳速控制过程控制方案相同，只不过呼吸转速控制是按照呼吸过程和呼吸比设定的一系列的轴流风机转速调节的设定值，利用同样的方法也可以完成精确的调节。软件流程说明：主程序程序流程图如图2所示：系统上电先执行LPC2368 ARM7芯片初始化，包括系统时钟锁相环配置，输入输出端口配置，PWM脉宽调制输出端口配置，轴流风机转速采集CAP捕获功能配置，故障报警信号外部中断配置，定时器配置。然后检测工作模式开关状态，判断当前运行的是稳速控制模式还是呼吸控制模式。如果工作在稳速模式，系统按照设定的默认转速执行，由控制算法将轴流风机转速稳定在默认值，同时输出转速显示数值。然后扫描转速调节的按键，当设置转速值发生变化对新的设定值进行稳速调节；如果工作在呼吸模式，系统按照设定的呼吸比和呼吸通气量的设定值采用控制算法进行实时的调节控制并输出显示数值，满足呼吸通气量的理论要求。系统在运行时，将循环扫描模式开关和控制按键的设置，以便及时的做出调整控制。

在主流程中调节控制和信息显示是重要的控制环节。

调节控制部分，如流程图如图3所示：当没有扫描到新的转速设定值情况，系统则按0.2S的采样周期采集轴流风机的转速信号计算转速偏差，采用PID的控制算法计算新的设定值，控制转速值接近预设值。当检测到系统有新的转速设定值时候，则按照前文预设过程计算PWM的预设占空比，然后选择PID参数，进行PID算法的调节控制。

输出信息显示部分，如流程图如图4所示：由于数码管显示刷新设定为10ms所以显示程序是在定时器中设计，不同的显示模式显示的信息由数组指针变量作为参数传递的。当按键扫描时检测减少按键如果长按2S系统进入转速显示模式，转速是捕获中断程序运算的结果直接通过变量传递到显示函数中。当按键扫描时检测增加按键如果长按2S系统进入通气量显示模式，通气量与转速之间有一个比例换算关系，将其换算的结果通过变量传递到显示函数中；当外部中断检测到轴流风机接口的故障信号或者程序检测出轴流风机脱落，直接输出故障信息“ERROR”，同时控制蜂鸣器报警，并切断轴流风机电源，保证系统其他部分电路安全。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种控制系统，其特征在于，包括ARM7处理器、输出信息显示装置、报警装置、按键控制装置，以及风机连接控制接口。

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述输出信息显示装置显示的内容为转速和通气量的信息。

3.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述报警装置为风机脱落报警及风机故障报警装置。

4.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述按键控制装置用于选择工作模式及调节转速。

5.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述风机连接控制接口连接外转子轴流风机。