消防员呼吸器检测用模拟肺控制系统的研究

摘要

消防员呼吸器是消防员进入火灾现场，特别是处置危险化学品、天然气泄露时所必须佩带的个人防护装备，为保障消防员的人身安全发挥了重要作用。呼吸器的可靠性和稳定性直接关乎消防员的人身安全，因此需要对呼吸器进行定期检查以确保其能正常工作。模拟肺控制系统作为呼吸器检测使用的主要工具，得到了学术界和工业界的广泛关注和研究。目前，常用的模拟肺是国外的一款主动模拟肺，但其价格昂贵、操作界面复杂、呼吸模式繁多。因此，为消防员呼吸器设计一款操作简便、价格适中、控制精准的模拟肺是非常必要的。 本文将模拟肺控制系统作为研究对象，较为系统地考察了模拟肺控制系统中存在的非线性、干扰多等问题。并设计和调试了该控制系统的软硬件。研究内容涉及系统数学模型、智能控制算法、电力电子技术以及嵌入式编程等多个方面。本论文的主要内容包括： 1.深入分析了模拟肺控制系统的数学模型。针对模拟肺控制系统中存在的非线性、易受干扰、波动较大等问题，建立了系统数学模型。该模型在传统电机伺服系统数学模型的基础上，考虑了负载模拟肺对电机转矩的影响，特别是负载所产生的摩擦力的影响，并将其摩擦力数学模型加入到电机伺服系统数学模型中，建立了更能反映实际模拟肺控制系统的数学模型，模型更加地全面合理。 2.研究了模拟肺控制系统的运动控制算法。传统的PID控制算法不能满足模拟肺控制系统的控制精度要求。本文先后分析了 3 种适用于模拟肺控制系统的智能控制算法：基于单神经元的PID控制算法；模型预测控制算法；基于RBF神经网络整定的PID控制算法。单神经元PID算法能够进行参数自整定，而模型预测控制鲁棒性和跟随性较好，采用单神经元PID算法与模型预测控制算法相结合的串级控制策略并应用于模拟肺控制系统并获得较好的控制效果。 3.设计与搭建了模拟肺控制系统的硬件电路。本文采用STM32作为主控芯片，并基于电力电子技术解决了三个电路搭建问题。首先，设计了直流电源转换电路用于解决系统需要多个隔离稳定直流电源的问题；其次，设计了电机驱动电路，由于电机额定电流较大，采用分立器件搭建驱动电路；最后，采用USB转串口电路解决了上位机USB端与STM32串口的通讯问题。完成了硬件电路的搭建工作，经检验证明设计电路的可靠性和稳定性。 4.设计了模拟肺控制系统的软件。明确了模拟肺控制系统的控制要求，基于Keil μvision5软件开发平台进行软件编程，并将单神经元PID控制算法应用到电机速度控制中。然后，基于Microsoft Visual Studio软件开发平台设计了模拟肺控制系统上位机，实现了模拟肺控制系统的可视化。 5.分析验证了所搭建的模拟肺控制系统的可靠性和稳定性。通过设置呼吸参数和呼吸波形，进行软硬件联调。可通过上位机观察电机运动曲线跟踪情况。分别采用传统的PID控制算法和单神经元PID控制算法进行软件实现，分析比较实验结果得单神经元PID控制算法具有更好地的控制效果，且控制效果优良。

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