深海環(huán)境模擬實驗裝置壓力控制系統(tǒng)設計

摘要：為了模擬深海高壓環(huán)境，研制了一套深海環(huán)境模擬試驗裝置，在對深海環(huán)境模擬裝置控制系統(tǒng)結構原理分析的基礎上，提出了一種針對壓力的闊環(huán)控制策略，采用以Atmega8L單片機為核心的主控電路、以ECN30206為核心的驅動電路、以Max7219為核心的顯示電路，設計了穩(wěn)壓控制的定頻調寬變速控制系統(tǒng)的硬件電路，并進行了相應的軟件編制，實現(xiàn)了控制電路各模塊的自由組合，以滿足不同場合的需求，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，同時還具有節(jié)能的效果。
關鍵詞：深海環(huán)境；模擬試驗裝置；壓力控制；電路設計

深海海底有大量的礦產(chǎn)資源和微生物群落，對該環(huán)境下進行的生物成礦作用、生命起源等的問題研究，將有助于闡明深海微生物受壓力調節(jié)的代謝機制，獲得寶貴的極端環(huán)境基因資源，對地質學、地球化學和生命科學等一系列學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，難以身臨其境進行觀察與研究，需要在實驗室建立海底極端環(huán)境的模擬系統(tǒng)進行實驗來配合相關科學研究。
針對深海環(huán)境的特殊性，開發(fā)了一套耐高溫高壓的模擬試驗裝置，本文主要探討該裝置壓力精確穩(wěn)定控制電路設計及控制軟件開發(fā)中的相關問題。

1 設計要求及系統(tǒng)組成
1．1 設計要求
研究工作以及要達到的技術指標如下：
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)對壓力的精確穩(wěn)定控制，在全工作范圍內連續(xù)可調；
3)對壓力、流量實時曲線及數(shù)字顯示，具有曲線記錄及回放功能。
1．2 系統(tǒng)組成
該模擬實驗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無級調節(jié)，功能切換可以通過截止閥的開或關來實現(xiàn)。監(jiān)測與控制系統(tǒng)主要完成溫度、壓力、流量等參數(shù)的監(jiān)測及控制。整個系統(tǒng)構成如圖1所示。

本文主要介紹壓力精確穩(wěn)定控制系統(tǒng)的設計，其它部分另文介紹。系統(tǒng)中的電機選用調速性能好、體積小、效率高的三相無刷直流電機，因為單片機價格低，片內資源豐富，且可以靈活編制程序，所以采用以單片機為核心的控制系統(tǒng)。工作時，傳感器把檢測到的管路壓力及負載轉速反饋到單片機，進一步去觸發(fā)由PI構成的調速系統(tǒng)，以PWM方式對電機進行調速，電機帶動油泵工作提供連續(xù)可調的壓力源。

2 控制系統(tǒng)硬件電路設計
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、驅動電路、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處理后送專用驅動芯片后產(chǎn)生一個速度脈沖信號，經(jīng)單片機處理轉換成轉速，再運用增量式Pl算法，得到PWM控制信號，經(jīng)光電耦合電路驅動專用集成驅動芯片閉環(huán)控制電機轉速；同時單片機還監(jiān)控控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，當系統(tǒng)出現(xiàn)短路、過流、過壓等故障時單片機將封鎖PWM輸出信號，使電機停機，并通過LED電路顯示故障?？紤]到應用的場合不同，對控制系統(tǒng)的需求也不同，本文設計各功能部件時考慮相互獨立性并保留好相應的接口以便構成一個完整的系統(tǒng)。