CN107678283A - 车辆空气质量pwm波自适应控制系统 - Google Patents

Abstract

车辆空气质量PWM波自适应控制系统。本发明控制系统设计有手动/自动/应急三种工作状态，当控制系统接收到报警信号时，启动系统选择进入防护状态，将车厢内外的差压值信号作为反馈值，自适应的输出PWM波信号对风机的转速进行调节，运用PWM波控制方法控制风机的转速，有利于提高系统的稳定性，进而调节车内的空气量，使得车厢内外的差压值维持在稳定的范围内，保证外部受染空气不会通过门窗进入车辆内部，给车内乘员提供一个安全、无污染的空间。

Description

车辆空气质量PWM波自适应控制系统

技术领域

本发明属于车辆防护系统领域，具体为一种车辆空气质量PWM波自适应控制系统。

背景技术

我国现有的车辆空气质量自适应控制系统能够接收环境的监测和报警信号，具有手动/自动两种工作模式，当接到上级预警信号或接收到报警信号时，启动系统进入防护状态并发出声光报警信号，依据车厢内外的差压值来调整风机的转速，进而调节车内的空气量，使得车厢内外的差压维持在稳定的工作状态。

目前，现有的车辆空气质量自适应控制系统存在以下缺点：第一，对风机转速的控制不够稳定，将风机稳定在规定超压范围内的时间较长、超调量较大；第二，对车厢内外的差压测量误差较大，系统的抗干扰能力有待提高；第三，系统缺少安全性冗余设计，一旦系统意外瘫痪无法正常启动时，车内乘员将会受到外界有毒、有害气体的侵袭，无法保证车内乘员的安全性。

发明内容

本发明目的是提供一种车辆空气质量PWM波自适应控制系统，主要用于接收环境的监测和报警信号，手动/自动/应急启动系统进入防护状态，实时监测并显示车厢内外的差压，发出声光报警信号并自适应调节风机转速，使得车厢内外的差压值维持在稳定的范围内。实现：1、降低车厢内外差压值的测量误差，提高系统的抗干扰能力；2、提高系统建立超压过程的稳定性，降低超压波动幅度和超调量；3、系统增加安全性冗余设计，为提高乘员的安全性，系统因意外瘫痪后，仍能为车内乘员提供一个安全、无污染的工作空间。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种车辆空气质量PWM波自适应控制系统，包括控制装置和安装于车辆上的数字式的差压传感器及风机、过滤装置。

所述控制装置包括机壳，所述机壳上设有电连接器、液晶显示屏、电源指示灯、电源开关、手动状态指示灯、自动状态指示灯、模式选择开关、应急指示灯、电位器调节旋钮、紧急制动按钮及语音播报器；所述机壳内安装滤波器、电源管理模块、主控制器、功率调节模块及语音报警驱动电路板。

具体控制过程如下：

外部电源通过滤波器连接电源管理电路模块，打开电源开关，外部电源通过滤波器连接电源管理电路模块控制电源指示灯亮；主控制器设有手动/自动/应急三种工作状态。

当模式选择开关选择手动工作，主控制器置于手动工作状态，控制电源管理电路板给系统内的各模块供电和控制手动状态指示灯亮；主控制器依据差压传感器输出的差压信号值，结合模糊PID算法自适应输出变占空比的PWM波给功率调节模块，功率调节模块输出控制信号调节风机转速，使得车厢内外的压差维持在规定的动态范围内；主控制器控制液晶显示屏上动态显示当前车厢内外的差压值及控制器内各模块的工作状态。

当模式选择开关选择自动工作模式，主控制器置于自动工作状态，此时主控制器进入低功耗状态、并控制自动状态指示灯亮；当主控制器接收到安装于车辆上的环境监测探头的报警信号时，控制电源管理模块给控制系统内的各模块供电、同时输出信号至语音报警驱动电路板，通过语音播报器实现语音报警，此时主控制器从低功耗模式进入工作状态，依据差压传感器输出的差压信号值，结合模糊PID算法自适应输出变占空比的PWM波给功率调节模块，功率调节模块输出控制信号调节风机转速，使得车厢内外的压差维持在规定的动态范围内；主控制器控制液晶显示屏上动态显示当前车厢内外的差压值及控制器内各模块的工作状态；当报警信号停止后，主控制器自动进入低功耗状态。

系统设计有应急启动模式，当模式选择开关选择应急工作模块，主控制器置于应急工作状态，控制电源管理模块给风机供电，启动风机全速运行，通过电位器调节旋钮手动调节风机转速，使得车厢内外的压差维持在规定的动态范围内。当系统意外瘫痪无法正常启动时，按下应急启动按钮，一键启动风机，确保系统进入防护状态，提高乘员的安全性。

当按下紧急制动按钮后，控制电源开关断开，风机停止运行。

本发明控制系统设计有手动/自动/应急三种工作状态，当控制系统接收到报警信号时，启动系统选择进入防护状态，将车厢内外的差压值信号作为反馈值，自适应的输出PWM波信号对风机的转速进行调节，运用PWM波控制方法控制风机的转速，有利于提高系统的稳定性，进而调节车内的空气量，使得车厢内外的差压值维持在稳定的范围内，保证外部受染空气不会通过门窗进入车辆内部，给车内乘员提供一个安全、无污染的空间。

本发明的优点在于：

1、采用高精度数字式的差压传感器实现对车厢内外差压值的实时监测，可避免将外界杂波信号带入系统内部，与现有的模拟量差压传感器相比具有测量稳定、抗干扰能力强的优点。

2、采用PWM波数字调控方式实现对风机转速的自适应调节，与现有的模拟量信号控制方法相比具有降低系统超调量、提高控制稳定性的优点。

3、现有控制系统不具有安全性冗余设计，本发明中设计了应急工作模式，当系统瘫痪无法正常启动时，可一键启动系统进入防护状态，确保车内乘员的安全性、免受外界受染空气的影响。

4、运用模糊PID控制理论实现对风机转速的精确稳定控制；控制系统的电路采用模块化的设计思路，有利于提高装配的灵活性，可依据安装尺寸灵活对控制器的结构进行设计。

该车辆空气质量自适应控制系统将应用于有毒有害环境下执行任务的车辆内部。为车厢内外差压的准确测量及风机转速的稳定控制提供了一个良好的解决方案；系统增加了冗余设计，有利于提高乘员安全性的和战斗力。

附图说明

图1表示车辆空气质量自适应控制装置外部示意图。

图2表示车辆空气质量自适应控制装置内部示意图。

图3表示车辆空气质量自适应控制系统流程图。

图4表示单片机与压差传感器间接口电路示意图。

图5表示PWM波风机转速控制图。

图6表示动态、闭环负反馈控制系统框图。

图中：1-电连接器，2-机壳，3-液晶显示屏，4-电源指示灯，5-电源开关，6-手动状态指示灯，7-自动状态指示灯，8-模式选择开关，9-应急指示灯，10-电位器调节旋钮，11-紧急制动按钮，12-语音播报器，13-滤波器，14-电源管理模块，15-主控制器，16-功率调节模块，17-语音报警驱动电路板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种车辆空气质量PWM波自适应控制系统，包括控制装置和安装于车辆上的数字式的差压传感器及风机、过滤装置。

如图1所示，控制装置包括机壳2，机壳2上设有电连接器1、液晶显示屏3、电源指示灯4、电源开关5、手动状态指示灯6、自动状态指示灯7、模式选择开关8、应急指示灯9、电位器调节旋钮10、紧急制动按钮11及语音播报器12。如图2所示，机壳2内安装滤波器13、电源管理模块14、主控制器15、功率调节模块16及语音报警驱动电路板17。

具体控制过程如下，如图3所示：

外部电源通过滤波器13连接电源管理电路模块14，打开电源开关5，外部电源通过滤波器13连接电源管理电路模块14控制电源指示灯4亮；主控制器15设有手动/自动/应急三种工作状态。

当模式选择开关8选择手动工作，主控制器15置于手动工作状态，控制电源管理电路板14给系统内的各模块供电和控制手动状态指示灯6亮；启动风机，即主控制器15依据差压传感器输出的差压信号值，结合模糊PID算法自适应输出变占空比的PWM波给功率调节模块16，功率调节模块16输出控制信号调节风机转速，使得车厢内外的压差维持在规定的动态范围内，外界有毒有害气体不会通过门窗等缝隙进入车厢内部，只能通过风机及过滤装置后进入车辆内部，为车内提供一个清洁、无污染的空间。此外，主控制器15控制液晶显示屏3上动态显示当前车厢内外的差压值及控制器内各模块的工作状态；当车辆脱离污染区后手动退出工作模式。

当模式选择开关8选择自动工作模式，主控制器15置于自动工作状态，此时主控制器15进入低功耗状态、并控制自动状态指示灯7亮；当主控制器15接收到安装于车辆上的环境监测探头的报警信号时，控制电源管理模块14给控制系统内的各模块供电、同时输出信号至语音报警驱动电路板17，通过语音播报器12实现语音报警。此时主控制器15从低功耗模式进入工作状态，启动风机，依据差压传感器输出的差压信号值，结合模糊PID算法自适应输出变占空比的PWM波给功率调节模块16，功率调节模块16输出控制信号调节风机转速，使得车厢内外的压差维持在规定的动态范围内，外界有毒有害气体不会通过门窗等缝隙进入车厢内部，只能通过风机及过滤装置后进入车辆内部，为车内提供一个清洁、无污染的空间。此外，主控制器15控制液晶显示屏3上动态显示当前车厢内外的差压值及控制器内各模块的工作状态；当报警信号停止后，主控制器15自动进入低功耗状态。

当模式选择开关8选择应急工作模块，主控制器15置于应急工作状态，控制电源管理模块14给风机供电，启动风机全速运行，通过电位器调节旋钮10手动调节风机转速，使得车厢内外的压差维持在规定的动态范围内，外界有毒有害气体不会通过门窗等缝隙进入车厢内部，只能通过风机及过滤装置后进入车辆内部，为车内提供一个清洁、无污染的空间。车辆脱离污染区后手动退出应急工作状态。

当按下紧急制动按钮11后，控制电源开关5断开，停止风机运行。

具体实施时，在提高系统稳定性和抗干扰能力方面采取了下面的解决方案。

首先，选用数字式的差压传感器对车厢内的差压值进行实时监测，并采用PWM波数字式的调控方式对风机的转速进行自适应调节。采用上述方法可避免将外界杂波信号带入系统内部，提高系统可靠性。设计中，选用双高精度数字气压传感器BMP180，是16位气压传感器，理论精度最高达2Pa，采用I²C通信方式实现与主控制器间的数据传输，且具有超低功耗的特性，最低工作电流只有3μA，其原理图如图4所示；调控方式采用数字式PWM波控制方式，PWM波由主控制器单片机产生，其幅值为+5V，频率为1Hz，占空比为0～100%，只需改变PWM波的占空比即可实现对风机转速的调节，PWM波如图5所示。

其次，系统建立了一个闭环负反馈控制系统，如图6所示，具体为，上一时刻的压差值作为输入量，此时刻的压差值作为反馈值，二者经过比较器后，如反馈值大于输入量，满足设计阈值要求，则维持风机转速，如反馈值小于输入量，则表明此时刻车辆内外压差变小，不满足设计阈值要求，则增大风机转速。所以，将车厢内外的差压值作为系统的一个反馈信号，系统依据反馈信号的大小，结合模糊PID算法自适应的输出变占空比的PWM波，进而实现对风机转速的自适应调节。

电路板的结构设计方面采用模块化的设计，包括电源模块、主控制器模块、转速调节模块及液晶显示屏，各模块相互独立，通过紧固件固定在机壳上，方便对该模块的更换。

系统安全性冗余设计采取了下述方法：系统设计了应急工作模式。当车辆空气质量自适应控制系统因意外瘫痪无法正常工作时，通过模式选择开关调至应急工作模式，启动风机工作，系统进入防护状态，并设计了电位器对风机的转速进行手动调节。只要确保车厢内具有持续稳定的电源，即可通过上述设计，确保系统意外瘫痪后仍可进入防护状态，提高内乘员的安全性，因此，对系统进行安全性的冗余设计非常必要。

综上所述，采用数字式的差压传感器有利于提高系统的抗干扰能力；采用上述控制方法可实现对系统差压值的自适应调节，有利于缩短车厢内外超压的建立时间，降低差压的超调量，使得对系统差压控制更加精准。

应当指出，对于本技术领域的一般技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和应用，这些改进和应用也视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种车辆空气质量PWM波自适应控制系统，其特征在于：包括控制装置和安装于车辆上的数字式的差压传感器及风机、过滤装置；

所述控制装置包括机壳（2），所述机壳（2）上设有电连接器（1）、液晶显示屏（3）、电源指示灯（4）、电源开关（5）、手动状态指示灯（6）、自动状态指示灯（7）、模式选择开关（8）、应急指示灯（9）、电位器调节旋钮（10）、紧急制动按钮（11）及语音播报器（12）；所述机壳（2）内安装滤波器（13）、电源管理模块（14）、主控制器（15）、功率调节模块（16）及语音报警驱动电路板（17）；

具体控制过程如下：

外部电源通过滤波器（13）连接电源管理电路模块（14），打开电源开关（5），外部电源通过滤波器（13）连接电源管理电路模块（14）控制电源指示灯（4）亮；主控制器（15）设有手动/自动/应急三种工作状态；

当模式选择开关（8）选择手动工作，主控制器（15）置于手动工作状态，控制电源管理电路板（14）给系统内的各模块供电和控制手动状态指示灯（6）亮；主控制器（15）依据差压传感器输出的差压信号值，结合模糊PID算法自适应输出变占空比的PWM波给功率调节模块（16），功率调节模块（16）输出控制信号调节风机转速，使得车厢内外的压差维持在规定的动态范围内；主控制器（15）控制液晶显示屏（3）上动态显示当前车厢内外的差压值及控制器内各模块的工作状态；

当模式选择开关（8）选择自动工作模式，主控制器（15）置于自动工作状态，此时主控制器（15）进入低功耗状态、并控制自动状态指示灯（7）亮；当主控制器（15）接收到安装于车辆上的环境监测探头的报警信号时，控制电源管理模块（14）给控制系统内的各模块供电、同时输出信号至语音报警驱动电路板（17），通过语音播报器（12）实现语音报警，此时主控制器（15）从低功耗模式进入工作状态，依据差压传感器输出的差压信号值，结合模糊PID算法自适应输出变占空比的PWM波给功率调节模块（16），功率调节模块（16）输出控制信号调节风机转速，使得车厢内外的压差维持在规定的动态范围内；主控制器（15）控制液晶显示屏（3）上动态显示当前车厢内外的差压值及控制器内各模块的工作状态；当报警信号停止后，主控制器（15）自动进入低功耗状态；

当模式选择开关（8）选择应急工作模块，主控制器（15）置于应急工作状态，控制电源管理模块（14）给风机供电，启动风机全速运行，通过电位器调节旋钮（10）手动调节风机转速，使得车厢内外的压差维持在规定的动态范围内；

当按下紧急制动按钮（11）后，控制电源开关（5）断开，停止风机运行。