壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一、引言設(shè)計(jì)目的及意義本設(shè)計(jì)采用單回路控制系統(tǒng)對管道的流量、液位進(jìn)行控制，主要研究的是AT89C51A/DD/APID它在過程控制中得到廣泛應(yīng)用。任務(wù)要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)壓力監(jiān)測與控制裝置，意向圖如下圖所示1、設(shè)計(jì)參數(shù)800500600mm200mm20mmPVC30mm1%。2、設(shè)計(jì)要求上位水箱通過水泵供水，通過變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速；變頻器、水泵等設(shè)備（包括設(shè)備名稱、型號、性能指標(biāo)等；設(shè)備選型要有一定的理論計(jì)算；用所選設(shè)備構(gòu)成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；列出所能開設(shè)的實(shí)驗(yàn)，并寫出實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、步驟、要求等。二、硬件電路設(shè)計(jì)圖1為該壓力控制系統(tǒng)簡圖，這是一個(gè)單回路反饋控制系統(tǒng)，控制的任務(wù)是動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪泵通過閥12力參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。12.1AT89C51AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnly的低電壓、高性能CMOS處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C51是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼8位CPU的AT89C51AT89C系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。外形及引腳排列如圖所示A/D本設(shè)計(jì)采用TLC2543A/DTLC254312A/D51系列單片機(jī)I/O資源；且價(jià)格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中有較為廣A/D1210us；113[1]；有轉(zhuǎn)換結(jié)束(EOC)輸出；具有單、雙極性輸出；有可編程的MSBLSB81216TLC2543片選輸入/輸出時(shí)鐘（I/OCLOCK）以及串行數(shù)據(jù)輸人端（DATAINPUT）；模擬量輸AIN0～AIN10（1～9腳、11～12腳），11AIN0I/OCLOCK（REF+VCC4~20mA電流的模擬量，也就是轉(zhuǎn)換輸入范圍電壓是0~5V。通道的選擇、數(shù)據(jù)格式的設(shè)定，都是通過控制TLC254311控制寄存器中各位定義通道選側(cè) 輸入數(shù)據(jù)長度 輸入數(shù)據(jù)順序 極性選D7(MSB) D6 D5 D7 D3 D2 D2 D0變頻器

TLC2543與AT89C51連接示意圖VFD（Variable-frequencyDrive），變頻器是應(yīng)用電動(dòng)機(jī)（此處即水泵）功率）＝流量）×H（壓力），流量QN的一次方成正比，壓力HNPN調(diào)節(jié)流量下降時(shí)，轉(zhuǎn)速N采用西門子公司的SAJ-8000SAJ8000G點(diǎn)：■低頻轉(zhuǎn)矩輸出180%，低頻運(yùn)行特性良好■輸出頻率最大600Hz，可控制高速電機(jī)■全方位的偵測保護(hù)功能(過壓、欠壓、過載)瞬間停電再起動(dòng)■加速、減速、動(dòng)轉(zhuǎn)中失速防止等保護(hù)功能■電機(jī)動(dòng)態(tài)參數(shù)自動(dòng)識(shí)別功能，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性■高速停機(jī)時(shí)響應(yīng)快■豐富靈活的輸入、輸出接口和控制方式，通用性強(qiáng)■采用SMT全貼裝生產(chǎn)及三防漆處理工藝，產(chǎn)品穩(wěn)定度高■全系列采用最新西門子IGBT功率器件，確保品質(zhì)的高質(zhì)量變頻器工作簡易圖SAJ-8000變頻器原理圖PID控制器設(shè)計(jì)2.4.1PID（比例-積分-微分）控制器50多年歷史，現(xiàn)在仍然是應(yīng)用最廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器簡單易懂，使用中不需精確的系統(tǒng)模型等先決條件，因而成為應(yīng)用最為廣泛的控制器。PID控制器由比例單元、積分單元和微分單元e(t)與輸出u(t)的關(guān)系為u(t)kp

(e((t)1/TI

e(t)dtTtDt0

*de(t)/dt)因此它的傳遞函數(shù)為：G(s)U(s)/E(s)k 1/(T*s)T *s)p I D其中,k為比例系數(shù)；T為積分時(shí)間常數(shù)；T為微分時(shí)間常數(shù)p I D它由于用途廣泛、使用靈活，已有系列化產(chǎn)品，使用中只需設(shè)定三個(gè)參數(shù)（K，pKK）即可。在很多情況下，并不一定需要全部三個(gè)單元，可以取其中的一到i d兩個(gè)單元，但比例控制單元是必不可少的。PID應(yīng)用范圍廣。雖然很多工業(yè)過程是非線性或時(shí)變的，但通過對其簡化可以變成基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，這樣PID就可控制了。PID控制的原理和特點(diǎn)簡稱PIDPID調(diào)節(jié)。它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便比例（P）控制關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（Steady-stateerror）。積分（I）控制它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。微分（D）控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）自動(dòng)控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)(delay)組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入“比例”項(xiàng)往往是不夠的，比例項(xiàng)的作用僅是放微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動(dòng)態(tài)特性。PID控制器的參數(shù)整定PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PIDPID被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法于具有Ke-t/(1+T+TS)PID1 2的積分系數(shù)是一個(gè)常數(shù)，實(shí)際上是一個(gè)兼顧幾個(gè)方面的折中值。從盡快消除控制PIDPIDPID動(dòng)態(tài)、合理地改變PID控制算法的積分常數(shù)，以提高控制品質(zhì)。鍵盤和顯示模塊6鍵、加鍵、減鍵、自動(dòng)/手動(dòng)鍵?？稍O(shè)置主機(jī)分機(jī)液位、轉(zhuǎn)換主機(jī)分機(jī)屏幕的顯示、以及手動(dòng)狀態(tài)電磁閥的開關(guān)等。OCM4X8C（128×64）LED鍵盤接口電路如圖：SSSSS34783521607SSSSSSS0S1S2S3S4S5SS413S514S617S718U104HC373D0D1D2D3D4D5D6D7RP1015.1k*80S0S0S0S0S0S10VCCGNDVCCLEQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7OEVCC20112D05D16D29D312D415D516D619D71Y2SGND1 GND1 GND1 GND1 GND1 GND1 GND1LCD接口電路如圖所示：VCC

D6D5D4D3D2D1D0Y4A6A7

VND01

71

4

21

987654321LCD接線三、系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)三、系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)的作用和功能框圖如圖2所示。主要組成部分有：基于擴(kuò)散硅傳感器的壓力檢測單元、A/D轉(zhuǎn)換單元、以AT89C51單片機(jī)為核心的控制單元以及調(diào)節(jié)水箱進(jìn)水量的變頻調(diào)速單前水箱的液位壓力值，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，送單片機(jī)與設(shè)定值進(jìn)行比較，得到偏差信號，該信號經(jīng)過調(diào)節(jié)器做PID運(yùn)算后，輸給變頻器一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號，通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器將變頻器調(diào)速信號由數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成機(jī)和水泵的轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)流量，達(dá)到調(diào)節(jié)水箱壓力的目的。上位機(jī)上位機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器單片機(jī)D/A轉(zhuǎn)換器電動(dòng)機(jī)與泵水箱檢測單元2數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)在本實(shí)驗(yàn)裝置中數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的任務(wù)是將檢測元件獲取的當(dāng)前水箱的實(shí)際液位高度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值以便單片機(jī)將該電壓值與設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較，從而按所得偏差信號進(jìn)行控制運(yùn)算。本裝置中液位的測量采用的是MPX201ODP型傳感器。其工作原理是在單晶硅的基礎(chǔ)上擴(kuò)散出P型或N型電阻條，接成電橋。在壓力作用下，根據(jù)半導(dǎo)體的壓—阻效應(yīng)，把壓力的變化轉(zhuǎn)換電阻的變化經(jīng)過測量電路所測的輸出電壓反映出所受壓力的變化即液位的變化。當(dāng)硅膜片上受到壓力1P和2P作用時(shí)，由于它們對膜片產(chǎn)生的壓力正好相反，因此作用在膜片上的壓力ΔP=P P從而可以進(jìn)行壓差測量。（接到MPX201ODP的壓力面管子內(nèi)就會(huì)留有一定體的氣MPX201ODP傳感器的壓力面會(huì)將其所感知的壓力變化傳送給TLC2543A/D四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集子程序TLC2543I/OCLOCK引腳接收串行輸入信號，在I/OCLOCK的前8個(gè)上升沿，DIN引腳的I/OCLOCK的第4個(gè)下降沿，被選通的模擬輸入I/OCLOCK的最后一個(gè)下降沿為止；將前一次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的其余11位輸出到DATAOUT端，在I/OCLOCKI/OCLOCKTLC2543I/OI/OI/OCLOCK4CS1CS啟寫入通道方式控制字，并讀出12位數(shù)據(jù)的高8位12設(shè)置串口波特率串口初始化將一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)寫入SBUF寄存器中TI1TI6個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢結(jié)束圖3數(shù)據(jù)采集子程序流程圖 4數(shù)據(jù)傳送子程序流程圖數(shù)據(jù)傳輸子程序單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸子程序的功能是將單片機(jī)通過 TLC2543采集到的數(shù)據(jù)，通過單片機(jī)的串行口以一個(gè)固定的波特率發(fā)送到 PC機(jī)。本實(shí)驗(yàn)中采用的是9600b/s的波特率。為簡單起見，發(fā)送數(shù)據(jù)以6個(gè)字節(jié)為一幀，傳輸格式為前16位的同步碼，中間16位數(shù)據(jù)（其中后12位有效，即為系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)），最后16為CRC校驗(yàn)碼。其程序流程圖如圖4所示。PID控制子程序PID控制程序的入口參數(shù)是經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的實(shí)際值，而它的各個(gè)系數(shù)均由初始化時(shí)確定，若要修改，則通過單片機(jī)控制屏來完成。 PID增量的出口參數(shù)是直接輸入A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)值。本設(shè)計(jì)是將PID控制作為主要控制方法，將其放在初始程序中。不需要時(shí)，只要將其入口地址改變即可。 PID控制子程序流程如圖5所示該P(yáng)ID控制算法的主要目的是消除靜差和提高控制精度，系統(tǒng)短時(shí)間內(nèi)輸出偏差很大會(huì)導(dǎo)致控制量超出執(zhí)行機(jī)構(gòu)允許的最大動(dòng)作范圍，從而使系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)量甚致發(fā)生系統(tǒng)振蕩。采用變速積分法根據(jù)系統(tǒng)偏差的大小改變積分項(xiàng)的累積速度，對提高系統(tǒng)的品質(zhì)十分有效。圖5變速積分PID控制子程序流程圖五．壓力檢測系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的壓力監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確度如要求所示，誤差在1%范圍內(nèi)。SK-YBS-WY型