深海環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)裝置壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了模擬深海高壓環(huán)境，研制了一套深海環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置，在對(duì)深海環(huán)境模擬裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理分析的基礎(chǔ)上，提出了一種針對(duì)壓力的闊環(huán)控制策略，采用以Atmega8L單片機(jī)為核心的主控電路、以ECN30206為核心的驅(qū)動(dòng)電路、以Max7219為核心的顯示電路，設(shè)計(jì)了穩(wěn)壓控制的定頻調(diào)寬變速控制系統(tǒng)的硬件電路，并進(jìn)行了相應(yīng)的軟件編制，實(shí)現(xiàn)了控制電路各模塊的自由組合，以滿足不同場(chǎng)合的需求，又可組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，不但能夠顯著提高深海環(huán)境模擬裝置的壓力控制精度，同時(shí)還具有節(jié)能的效果。
關(guān)鍵詞：深海環(huán)境；模擬試驗(yàn)裝置；壓力控制；電路設(shè)計(jì)

深海海底有大量的礦產(chǎn)資源和微生物群落，對(duì)該環(huán)境下進(jìn)行的生物成礦作用、生命起源等的問(wèn)題研究，將有助于闡明深海微生物受壓力調(diào)節(jié)的代謝機(jī)制，獲得寶貴的極端環(huán)境基因資源，對(duì)地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)和生命科學(xué)等一系列學(xué)科研究具有重大的意義。然而由于其處于深海極端環(huán)境這一特殊性，難以身臨其境進(jìn)行觀察與研究，需要在實(shí)驗(yàn)室建立海底極端環(huán)境的模擬系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來(lái)配合相關(guān)科學(xué)研究。
針對(duì)深海環(huán)境的特殊性，開發(fā)了一套耐高溫高壓的模擬試驗(yàn)裝置，本文主要探討該裝置壓力精確穩(wěn)定控制電路設(shè)計(jì)及控制軟件開發(fā)中的相關(guān)問(wèn)題。

1 設(shè)計(jì)要求及系統(tǒng)組成
1．1 設(shè)計(jì)要求
研究工作以及要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)如下：
1)壓力控制范圍為0～20 MPa，精度為+2％FS，最小的壓力梯度為1％／min；
2)對(duì)壓力的精確穩(wěn)定控制，在全工作范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；
3)對(duì)壓力、流量實(shí)時(shí)曲線及數(shù)字顯示，具有曲線記錄及回放功能。
1．2 系統(tǒng)組成
該模擬實(shí)驗(yàn)裝置主要包括由水泵、深海環(huán)境模擬艙、水箱和管路等組成的深海環(huán)境模擬系統(tǒng)，及其監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，可模擬海底熱液口的極端海洋環(huán)境，也可模擬一般的海洋環(huán)境，還可以完成樣品的培養(yǎng)、加樣、取樣等，其中泵的流量可以根據(jù)需要在輸出流量范圍內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，功能切換可以通過(guò)截止閥的開或關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)主要完成溫度、壓力、流量等參數(shù)的監(jiān)測(cè)及控制。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

本文主要介紹壓力精確穩(wěn)定控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其它部分另文介紹。系統(tǒng)中的電機(jī)選用調(diào)速性能好、體積小、效率高的三相無(wú)刷直流電機(jī)，因?yàn)閱纹瑱C(jī)價(jià)格低，片內(nèi)資源豐富，且可以靈活編制程序，所以采用以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)。工作時(shí)，傳感器把檢測(cè)到的管路壓力及負(fù)載轉(zhuǎn)速反饋到單片機(jī)，進(jìn)一步去觸發(fā)由PI構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)，以PWM方式對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，電機(jī)帶動(dòng)油泵工作提供連續(xù)可調(diào)的壓力源。

2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)總體框圖如圖2所示，本控制系統(tǒng)主要由控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、顯示電路、RS485接口電路組成。本系統(tǒng)是速度閉環(huán)系統(tǒng)，霍爾位置傳感器的位置信號(hào)處理后送專用驅(qū)動(dòng)芯片后產(chǎn)生一個(gè)速度脈沖信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)處理轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速，再運(yùn)用增量式Pl算法，得到PWM控制信號(hào)，經(jīng)光電耦合電路驅(qū)動(dòng)專用集成驅(qū)動(dòng)芯片閉環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；同時(shí)單片機(jī)還監(jiān)控控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過(guò)流、過(guò)壓等故障時(shí)單片機(jī)將封鎖PWM輸出信號(hào)，使電機(jī)停機(jī)，并通過(guò)LED電路顯示故障。考慮到應(yīng)用的場(chǎng)合不同，對(duì)控制系統(tǒng)的需求也不同，本文設(shè)計(jì)各功能部件時(shí)考慮相互獨(dú)立性并保留好相應(yīng)的接口以便構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。