压力控制系统设计

一、引言

1.设计目的及意义

本设计采用单回路控制系统对管道的流量、液位进行控制，主要研究的是基于单片机的压力参数的控制和调节，即以单片机AT89C51为调节器，辅助以配套的A/D , D/A转换单元及电路，通过执行数字PID程序实现自动调整。单回路控制系统由于结构简单、投资小、操作方便、且能满足一般生产过程的要求，故它在过程控制中得到广泛应用。

2.任务要求

设计并制作一个压力监测与控制装置，意向图如下图所示

1、设计参数

上位水箱尺寸：800×500×600mm，上位水箱离地200mm安装，通过直径为20mm的PVC管道与其他设备相连，设备离地30mm，要求测量设备入口处的压力。测量误差不超过压力示值的±1%。

2、设计要求

（1）上位水箱通过水泵供水，通过变频器控制水泵的转速；

（2）通过查阅相关设备手册或上网查询，选择压力传感器、调节器、调节阀、变频器、水泵等设备（包括设备名称、型号、性能指标等）；

（3）设备选型要有一定的理论计算；

（4）用所选设备构成实验系统，画出系统结构图；

（5）列出所能开设的实验，并写出实验目的、步骤、要求等。

二、硬件电路设计

图1为该压力控制系统简图，这是一个单回路反馈控制系统，控制的任务是使水箱的压力等于某定值，减小或消除来自系统内部或外部扰动的影响。交流电动机带动齿轮泵通过阀1向上水箱供水，调节阀2使之同时向外排水，达到被控压力参数的动态调整。

图1单容水箱压力控制系统简图

2.1 AT89C51

AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。外形及引脚排列如图所示

2.2 A/D转换器

本设计采用TLC2543A/D转换器，TLC2543是12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程，由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O 资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。其特点如下所述： A/D转换器有12位分辨率；在工作温度范围内转换时间为10us；有11个模拟输入通道；采用 3路内置自测试方式[1]；有转换结束(EOC)输出；具有单、双极性输出；有可编程的MSB或 LSB前导；输出数据长度可以编程设定为8位、12位或16位。在本系统中采用的输出长度设定为12位。另外TLC2543与外围电路的连线简单,它有三个控制输入端为CS（片选）、输入/ 输出时钟（I/O CLOCK）以及串行数据输人端（DATA INPUT）；模拟量输入端AIN0 ～ AIN10 （1 ～ 9 脚、11 ～ 12 脚），11路输入信号由内部多路器选通，对于本系统，选用了AIN0 模拟输入端；系统时钟由片内产生并由I/O CLOCK同步；正、负基准电压（REF+ ，REF-）由外部提供, 通常为VCC和地, 两者差值决定输人范围。在本系统中，输入模拟信号为4~20mA 电流的模拟量，也就是转换输入范围电压是0~5V。通道的选择、数据格式的设定，都是通过控制器向TLC2543 写控制字来实现的。控制字格式如表1 所示。表1 控制寄存器中各位定义

通道选侧输入数据长度输入数据顺序极性选择D7(MSB) D6 D5 D7 D3 D2 D2 D0

TLC2543与AT89C51连接示意图

2.3 变频器

变频器的英文译名是VFD（Variable-frequency Drive），变频器是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源的频率和幅度的方式来控制交流电动机（此处即水泵）的电力传动元件。由流体力学可知，P（功率）＝Q（流量）×H（压力），流量Q与转速N的一次方成正比，压力H与转速N的平方成正比，功率P与转速N的立方成正比，如果水泵的效率一定，当要求调节流量下降时，转速N可成比例的下降，使水箱压力保持在恒定。本次采用西门子公司的SAJ-8000变频器。以下是SAJ8000G矢量通用型变频器的特点：

■低频转矩输出180% ，低频运行特性良好

■输出频率最大600Hz，可控制高速电机

■全方位的侦测保护功能(过压、欠压、过载)瞬间停电再起动

■加速、减速、动转中失速防止等保护功能

■电机动态参数自动识别功能，保证系统的稳定性和精确性

■高速停机时响应快

■丰富灵活的输入、输出接口和控制方式，通用性强

■采用SMT全贴装生产及三防漆处理工艺，产品稳定度高

■全系列采用最新西门子IGBT功率器件，确保品质的高质量

变频器工作简易图

SAJ-8000变频器原理图

2.4 PID 控制器设计

•2.4.1 PID （比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID 控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。

PID 控制器由比例单元（P ）、积分单元（I ）和微分单元（D ）组成。其输入e (t)与输出u (t)的关系为

)/)(*)(/1)((()(0

dt t de T dt t e T t e k t u D t

I p ++=⎰

因此它的传递函数为：