基于AVR單片機的加液機PI控制器設計研究

摘要：介紹加液機控制系統的工作原理及其相關電路，在保證安全使用的前提下，降低加液機成本，提高計量準確度。設計一種基于ATmega128單片機的加液機控制系統，采用單片機作為核心控制芯片，采用科里奧利質量流量計和DC1300型號的壓力變送器，分別完成對流量和壓力信號的自動采集，同時將采集到的信號送人單片機，根據系統的設定值完成相應的PI控制。最后論述其程序的實現方法，并對改進的PI算法進行驗汪，給出仿真結果。

關鍵詞：控制工程；安全可靠；PI控制器；液化天然氣（LNG）加液機；ATmega128單片機

文獻標志碼：A

文章編號：1674-5124（2015）02-0065-04

引 言

目前國內很多加液機采用雙槍雙計量的方式，其中“雙槍”指的是一支加液槍和一支回氣槍；“雙計量”指的是分別與加液槍和回氣管路串聯的流量計。加液時，加液機分別對加液和回氣進行計量、求差，從而得出加液量。目前此種加液機的相對誤差約為+0.5%。但是由于其成本過高，因此國內部分加液機采用雙槍單計量的方式，即去掉了回氣管路上的流量計。此種加液機的相對誤差明顯增加，最大約為5%，但很大程度上降低了成本。

除成本和精度問題外，國內大多數加液機運行時都存在瞬間高壓沖擊等問題，甚至一些加液機由此產生泄漏等安全方面的隱患。所謂高壓沖擊，是指當加液機閥門切換或切斷時，由高頻運行的潛液泵所帶來的瞬間高壓沖擊。加液機運行時的流量越大，沖擊越明顯，后果越嚴重。近幾年，隨著國外噴淋式車載瓶（加液過程中可以對瓶內的氣態LNG進行液化）技術的引進，為單槍單計量加液機的使用打下了基礎。本文正是基于其原理，設計一種單槍單計量加液機控制器，以AVR單片機為核心，通過控制電磁閥、調節閥，以調壓運行的工作方式，調節加液機進口壓力，來解決目前加液機運行時所出現的問題。

1.工作原理

為了更好地了解加液機的運行，先簡單介紹整個加液站的工作流程：液化天然氣自儲罐流入加液撬的潛液泵，經過潛液泵提升壓力后，自加液機進液口流入加液機。加液機工作流程如圖1所示。

與其他加液機相同，本文所設計的加液機在運行時也包括小循環預冷、大循環預冷、加液3個過程。小循環預冷即是對流量計的預冷，打開預冷電磁閥，并控制調節閥閥門開度，使管道內液化天然氣的壓力穩定到初始設定值l MPa運行。LNG經過調節閥、流量計、預冷切斷閥回流到儲罐。由于儲罐的壓力較低，因此小循環會快速預冷到設定溫度。當小循環完成時，加液機自動切換為大循環預冷，即對加液槍的預冷。打開加液電磁閥，同時關斷預冷電磁閥，LNG經過調節閥、流量計、加液切斷閥、加液槍、單向閥回流到儲罐。當大循環預冷滿足條件后，調節閥緩慢關斷，加液電磁閥關斷，此時預冷完成，管道內充滿LNG。

小循環預冷到大循環預冷的自動切換可以防止調節閥閥門的頻繁啟停，簡化人員操作。由于預冷完成時，本設計先控制調節閥關斷，而不是直接控制電磁閥關斷，從而防止因流量突變和潛液泵滯后反應引起的瞬間高壓沖擊。

預冷完成后進行加液。打開加液電磁閥，采集加液管道內的壓力P（t）和瞬時流量V（t），將V（t）與設定值v1.比較，通過PI算法控制調節閥閥門開度，使加液機管道內的流量v（t）穩定到設定值v10。隨著LNG經過流量計、加液切斷閥、加液槍進入車載瓶，車載瓶內的高壓（不超過l MPa）氣態天然氣將會被再次液化，使瓶內的壓力Po降低。因為要保持加液管道內的流量不變，所以壓差[P（t）-Po]必須保持不變，即加液管道內的壓力p（t）降低。當p（t）≤lMPa時，轉入壓力控制階段。將P（t）與設定值1MPa進行比較，通過PI算法使加液管道內的壓力穩定在1MPa下運行。加液完成時，通過控制調節閥減小管道內的流量，使潛液泵處于低頻運行狀態，再關斷加液電磁閥和調節閥。

無論車載瓶內的壓力高低，本設計都會通過自動調壓的方式，使加液機在較低的壓力下運行，從而降低事故發生概率，提高加液機的安全可靠性。2調節器硬件電路設計

首先把壓力變送器輸出的4～20mA電流信號經電阻R34轉換為電壓信號，然后經集成運放模塊送入單片機（Atmega128）ADC端口，見圖2，其中E_AIO接壓力變送器信號輸H{端，ADINO接單片機ADC輸入端口。高速雙向二極管D3與阻容濾波電路相結合，對接口起箝位保護作用。集成運放LM324用作電壓跟隨器，起隔離緩沖作用，通過提高輸入阻抗來提高信號精度。

單片機采集的電壓信號經過單片機內部10位A/D轉換器轉換、運算，得出的數字量信號經過D/A轉換器轉換為模擬電流信號，再經過運算放大器A1A2和三極管Vri、VT2最終變換成輸出電流Ioutc通過調節調零電位器RP1和調量程電位器RP2，可以輸出4～20mA直流電流信號，用來驅動調節閥，詳細電路如圖3所示。

3.PI控制算法及其軟件設計

3.1 遇限抑制消弱積分法和帶死區的PI控制

若使用增量式PI控制算法，不可避免的會產生截斷誤差，并被逐次累加起來，產生較大誤差，因此本設計采用位置式PI算法。由于單片機的控制是一種采樣控制，屬于離散控制系統，離散的PI控制算法表達式為式中：k=0，l，2…表示采樣序列；

u（k）——第k次采樣時刻PI調節器的輸出值；

e（k）——第k次采樣時刻輸入的偏差值；

Ts——采樣周期；

Ti——積分時間常數；

Kp——比例系數；

K1——積分系數。

在數字PI控制系統中，當系統開、停或大幅度變動給定值時，系統輸出會出現較大的偏差，經過積分項累積后，容易引起“飽和”現象，從而影響控制效果。本設計采用遇限抑制消弱積分法，其基本思路是：計算u（k）時，先判斷u（k-l）是否超過限制范圍，若已超過umax，則只累計負偏差，并且將kmax-u（k-l）加入積分項，其中ks。為抑制系數。因此控制量不易進入飽和區，即使進入，也能很快退出，改善了系統的輸出特性。

在本控制系統中，控制過程要求盡量平穩，為避免控制動作過于頻繁，消除由此引起的震蕩，可以設置一個不靈敏區B，即采用帶死區的PI控制。當k（k）≤B時，把u（k-l）的值賦給u（k），并輸出控制量，只有當le（k）I>B時，才按PI算式計算控制量。死區B是一個可調參數，B值太小，調節動作過于頻繁，達不到穩定控制的目的；B值太大，會產生很大的純滯后，所以應根據實際情況而定。

3.2 PI調節器的軟件設計

本設計在Windows環境下，編寫程序時選用C語言，采用ICCAVR V6.31版本的軟件作為開發平臺，并配合AVR Studi0 4.0來調試單片機系統的運行。根據上述的PI算法，當加液機啟動后，采用定時中斷模式實現，其程序流程如圖4所示。

4.系統控制算法的仿真

在Simulink下建立了PI控制算法系統仿真圖，利用階躍函數做輸入信號，采用兩個Switch（選擇開關）和一個Memory（記憶模塊）來實現，超過輸出限值后，只對負偏差部分進行累加，利用Saluralion（積分飽和模塊）前后值的偏差來實現積分抑制部分的累加。當輸出超過限值后，實現快速抑制積分作用，使系統不會進入積分飽和。

根據調節閥執行機構的慣性環節動態特性，可得調節閥的傳遞函數：式中：k，a——常數，不同的執行機構k和a的值也不同。

通過實驗計算測得DZRHP電動低溫調節閥的k值為3.8，a值為0.6。設定采樣周期為0.1s，比例系數Kp為5，積分系數Ki為2，抑制系數Ks為2.3，設定階躍輸入幅值為4，Umax限幅值為±5，不靈敏區B為+0.05。開始仿真，首先對基本PI算法進行仿真，結果如圖5所示，表明使用普通的PI控制算法會出現較大的超調量，并伴隨積分飽和現象，使實際系統輸出曲線變得較差。使用遇限抑制積分的PI算法后，首先設定抑制系數Ks為l，其仿真波形如圖6所示，其輸出仍然會出現積分飽和現象，這是由于抑制系數較小造成的；若抑制系數過高，如圖7所示，雖然抑制了積分飽和現象，但是輸出曲線上升時間變長，并且出現了小幅震蕩，使系統控制性能變差，因此一個合適的抑制系數也是很重要的，取Ks為2.3，如圖8所示，輸出曲線變得平滑，超調量變小，調節時間變短，提高了系統的控制性能。

5.結束語

本設計以ATmega128單片機為核心芯片，根據實際情況，改進了控制方式，并且使用了遇限抑制積分的PI控制算法。通過對單槍加液機的可行性分析和對調節閥的控制，提出以自動調壓的方法來解決潛液泵對加液機的瞬間高壓沖擊和加注時泄漏的問題，提高了加液機的可靠性，降低了加液機的相對誤差，以多次稱重的方式測得誤差約為±0.1%。經過對PI控制算法的仿真驗證，本控制器可以消除積分飽和對系統帶來的危害，使系統可以安全穩定運行。