工业系统的驱动、测量、建模、与控制设计作业

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1、《工业系统驱动与控制》综合设计作业学院：电子信息工程学院班级：电子73班学号：07051072姓名：陈佳力2009年6月29日《工业系统驱动与控制》综合设计一、题目及要求某一化工生产过程中需要对储气罐内的气体压力进行精度控制及安全保护，压力设定值为8Mpa，其中压力采集使用压阻式压力传感器，压力控制采用电动V型调节球阀调节。此外，当压力高于10Mpa时必须关断调节球阀。请结合本门课所学知识及选用的相关仪器设备，查阅相关文献，给出采用工业控制计算机作为控制器的设计方案。压阻式压力传感器的主要技术参数：1、工作电源10v2、测量范围0-20Mpa3、全

2、程线性度好4、灵敏度20mv/Mpa电动调节球阀的主要技术参数：1、工作电源：AC220V;2、控制信号：0~10V.(对应阀的开度：0％－100％).【要求】1）画出系统的总体结构框图并注明各个环节的输入输出的信号类型（30分）2）简单描述系统的工作原理或过程（10分）3）设计传感器的测量电路（20分）4）列出系统使用的主要元器件和仪器设备（10分）5）画出软件流程框图(10分)6）编写控制程序(20分)二、设计思路本系统可由测量和控制两部分组成，测量部分用于采集气压信息，控制部分用于对采集来的气压信息进行处理，并计算出控制量，反馈给执行机构，对

3、系统作出正确的调整和处理。三、总体结构框图（省略各部分的电源）储气罐原始信号处理后的信号压阻式压力传感器信号处理电路（模拟）（模拟）紧急关闭信号PCL-数据交换812PG工控机（数字）采集卡（数字）控制信号输出信号电动调节球阀输出控制电路（模拟）（模拟）图（1）总体结构框图四、工作原理及过程（1）信号的采集和处理气压信号的采集采用压阻式压力传感器，这种传感器具有线性度好的特点。气压信息经传感器转化为随气压线性变化的电压信号。原始的电压信号变化幅度和采集卡AD-1-输入电压范围相比很小，故必须由信号处理电路处理，将信号放大至可与采集卡AD通道输入电压

4、范围相比较，并加入适当的直流偏移，以保证气压信号采集及后续转换的精度。同时，信号处理电路也对气压信号进行监控，当气压超过上限时强制关闭球阀，以防工控机程序不正常时气压失控。（2）信号的转换及控制量的计算处理后的信号即可由采集卡进行AD转换，控制量的计算采用增量型PID算法，使储气罐中的气压快速、稳定、精确地控制在8MPa。除了计算控制量，程序还对信号进行监控。当信号超过上限时关闭球阀并报警。控制量由采集卡的DA通道输出。（3）输出控制从DA通道输出的控制信号还不能直接控制球阀，必须加一级隔离，以防外部强电磁干扰影响采集卡。此外，输出控制电路还包括强

5、制关闭球阀部分。该部分受硬件和软件双重控制，以确保球阀能可靠关闭。五、各部分电路。（1）电源屏幕刷新U17815132ViVo+Vcc1C2C4GNDC6C8+15VD1++220μ0.1μ20.1μ220μT11318V~C1C31C5C7++220V~18V~1N4007220μ0.1μ0.1μ220μ-15V423ViVo-Vcc1GNDU27915U3781013ViVo+Vcc2C11C12GNDC13C14+10V++220μ0.1μ20.1μ220μ图（2）电源部分+Vcc1、-Vcc1供运放使用，+Vcc2供压阻式压力传感器使用。7

6、8、79系列集成三端稳压器都要求输入与输出保持3V以上的电压差，故变压器次级有效值取18V；二极管1N4148最大整流电流为1A，反向击穿电压为1000V，可以满足本设计的要求；电路中各电容的耐压取50V。（2）信号处理电路图（3）压阻式集成压力传感器电路结构-2-图（3）为网上找到的传感器电路结构。这种压阻式压力传感器已将将四个检测电阻组成的桥路、电压放大器和温度补偿电路集成在一起，组成单块集成化压力传感器，可以有效抑制零点漂移，因此实际应用时只需额外增加一级差动放大就可获得符合要求的信号。R01R5R320kR810kR1210k100k+Vc

7、c1+Vcc1C9R720k0.1μU5R14.7ku1U4R6R10Uin+uouOP0710kOP07AI1021kUin-+Vcc1R24.7kC10R90.1μ-Vcc120kR13R11-Vcc14.7kU610kR4R17OP07EM100kR1520k2kRR16024.7k图（4）信号处理电路U4组成差动放大器，U5组成反相加法器，U6组成电压比较器。原始信号的满量程的变化范围约在0-400mV之间，为充分利用AD通道的转换精度，可将其放大至25倍，即20MPa对应输出10V。根据电压、电流关系列出方程：uinu1u1uo

8、RR101uinu2u20RR202u1u2解得：RRRR0102101uuuoini