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

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：

)*)*/(11()(/)()(s T s T k s E s U s G D I p ++==

其中,k p 为比例系数； T I 为积分时间常数； T D 为微分时间常数 它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（K p ， K i 和K d ）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。

PID 应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统，这样PID 就可控制了。

2.4．2 PID 控制的原理和特点

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID 控制，又称PID 调节。它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID 控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID 控制技术。PID 控制，实际中也有PI 和PD 控制。PID 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

比例（P ）控制

比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差（Steady-state error ）。

积分（I ）控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error ）。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。

微分（D ）控制

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后(delay)组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

2.4.3 PID 控制器的参数整定

PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID 控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直

接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。

由于本实验装置的过程控制具有惯性大、滞后时间长等特点。理论证明，对

于具有Ke-t/(1+T

1+T

2

S)特点的控制对象，PID 是一种最优控制。但常规PID 算法

的积分系数是一个常数，实际上是一个兼顾几个方面的折中值。从尽快消除控制系统的静态误差的角度考虑，希望PID 算法的积分系数尽量的大；但从降低控制过程中超调量的角度考虑，又希望PID 控制算法的积分系数尽量的小。因此在本实验装置的控制系统中，我们采用变速积分PID 算法，根据控制系统的当前状态，动态、合理地改变PID 控制算法的积分常数，以提高控制品质。

2.5键盘和显示模块

键盘完成基本的输入操作.系统共设置了6个按键:屏显键、设定键、移位键、加键、减键、自动/手动键。可设置主机分机液位、转换主机分机屏幕的显示、以及手动状态电磁阀的开关等。

为了更好的实现人机对话，采用了这款带中文字库的OCM4X8C（128×64）液晶显示器。用户可以根据提示来进行相应的操作。液晶显示屏采用了并行的输入输出方式，开机时液晶屏复位，进入等待状态。采用液晶显示器是显示的信息量大，可视性强，并且可以避免LED数码管的编程复杂、工作量大的缺点。

键盘接口电路如图：

U104

LCD接口电路如图所示：L CD G N D

三、系统电路设计

3.1 监控系统的作用和功能

该系统实现控制功能的主要单元是一个基于单片机的压力控制系统，其结构框图如图2所示。主要组成部分有：基于扩散硅传感器的压力检测单元、A/D 转换单元、以AT89C51单片机为核心的控制单元以及调节水箱进水量的变频调速单元具体的工作过程是：设定欲稳定的水箱的液位高度，通过压力检测元件获取当前水箱的液位压力值，经模/数转换芯片将模拟信号转换为数字信号，送单片机与设定值进行比较，得到偏差信号，该信号经过调节器做 PID 运算后，输给变频器一个转速控制信号，通过数/模转换器将变频器调速信号由数字信号转换成模拟信号，由于变频器的输出频率与输入电压成比例，可变的输出频率调整电动机和水泵的转速，从而调节流量，达到调节水箱压力的目的。

图2单片机控制系统结构框图

3.2 数据采集与处理系统

在本实验装置中，数据采集与处理系统的任务是将检测元件获取的当前水箱的实际液位高度转换成相应的电压值，以便单片机将该电压值与设定的电压值进行比较，从而按所得偏差信号进行控制运算。本装置中液位的测量采用的是MPX201 ODP 型传感器。其工作原理是在单晶硅的基础上扩散出P 型或N 型电阻条，接成电桥。在压力作用下，根据半导体的压—阻效应，把压力的变化转换成电阻的变化，经过测量电路所测的输出电压反映出所受压力的变化，即液位的变化。当硅膜片上受到压力1 P 和2 P 作用时，由于它们对膜片产生的压力正好相反，因此作用在膜片上的压力ΔP = P ?P 从而可以进行压差测量。

实验中具体的测量方式为空气管传感方式：将一根管子竖直立起，其一端放于液体容器中，另一端完全敞开，则在管子里面的液面与容器中的是完全相同的。若将管子的上端封住（接到MPX201ODP 的压力面），管子内就会留有一定体的气体。当容器内液位变化时，管内空气的压力将会成比例地变化，则MPX201ODP 传感器的压力面会将其所感知的压力变化传送给TLC2543 串行A/D 转换芯片，将该压力的变化转换成电信号。

四、系统软件设计

4.1 数据采集子程序

对于串行输入输出数模转换器，在编程应特别注意TLC2543 的工作时序，其I/O CLOCK引脚接收串行输入信号，在I/O CLOCK 的前8 个上升沿，DIN 引脚的8

位输入数据存入数据存储器；在I/O CLOCK 的第4 个下降沿，被选通的模拟输入电压开始向电容器充电，直到I/O CLOCK 的最后一个下降沿为止；将前一次转换数据的其余11 位输出到DATA OUT端，在I/O CLOCK 的下降沿时，数据开始变化；I/O CLOCK 的最后一个下降沿，将转换的控制信号传送到内部状态控制位。因此，TLC2543 在每次I/O 周期读取到的数据都是前一次的转换结果，应该丢弃，再读一次，即为当前转换值。数据采集子程序的程序流程图如图3所示。

图 3 数据采集子程序流程图图4 数据传送子程序流程图

4.2 数据传输子程序

单片机数据传输子程序的功能是将单片机通过TLC2543 采集到的数据，通过单片机的串行口以一个固定的波特率发送到PC 机。本实验中采用的是9600b/s 的波特率。为简单起见，发送数据以6 个字节为一帧，其传输格式为前16 位的同步码，中间16 位数据（其中后12 位有效，即为系统采集到的数据），最后16 为CRC 校验码。其程序流程图如图4 所示。

4.3 PID 控制子程序

PID 控制程序的入口参数是经A/D 转换的实际值，而它的各个系数均由初始化时确定，若要修改，则通过单片机控制屏来完成。PID 增量型的出口参数是直接输入A/D转换的数值。

本设计是将PID 控制作为主要控制方法，将其放在初始程序中。不需要时，只要将其入口地址改变即可。PID 控制子程序流程如图5 所示。该 PID 控制算法的主要目的是消除静差和提高控制精度，系统短时间内

输出偏差很大会导致控制量超出执行机构允许的最大动作范围，从而使系统出现较大的超调量甚致发生系统振荡。采用变速积分法根据系统偏差的大小改变积分项的累积速度，对提高系统的品质十分有效。

图 5 变速积分PID 控制子程序流程图

五．压力检测系统的实验校验

1．目的：检验所设计的压力监测系统的准确度如要求所示，误差在1%范围内。

2．步骤：为达到校验要求，选购SK-YBS-WY型智能压力校验仪，SK-YBS-WY

型智能压力校验仪基本准确度分0.1%和0.05%两种，是实验室、工厂、大专院校理想的高档工具表，并可作为中等精度压力测试的标准表。SK-YBS-WY型智能压力校验仪为交直流两用的便携式仪表，在测量压力的同时，可测量电流，同

时在LCD上显示出来，并备有24VDC输出。加之智能压力校验仪前面板上安装有打压手泵，使其成为理想的现场校验仪表。

智能压力校验仪高性能的微处理器对仪表零点和线性进行连续修正，保证仪表长时间内零点和准确度具有良好的重复性和稳定性，测量准确度高。将测试值与系统显示值比较，看是否超出误差范围，若超出误差，则尝试更换硬件，直到达到理想值。

六、总结

本设计以AT89C51 单片机为核心，利用PID控制器，采用TLC2543 串行A/D转换芯片，扩展出一个数据采集系统，在液压控制试验系统中得到了利用，并表现出良好的效果。该基于单片机的过程控制系统具有体积小、简单实用、成本低、性能价格比高等特点，且系统不易受到干扰，可靠性好，具有很大的市场价值。综上所述，该系统主要有以下特点：

1.能够显示液压数值，使使用者便于观察。

2.系统简单实用，易于维护。

3.方便自己设定压力值，可以随时改变。

4.采用双控制器模式，反应速度大大加快

5.可以显示开关阀状态，便于维修

通过本次压力检测与控制系统的设计，使我的实践能力与感知能力得到了提升。让我明白了即使一件普通的生活用品也是来之不易的，在设计过程中，遇到了这样那样的问题和困难，通过耐心的比对和调试，一一得到了解决，最终完成了设计。科技让生活更美好，而知识是这一切的基础。今后我会更加努力地学习，朝着自己的梦想前进。