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摘要：介绍加液机控制系统的工作原理及其相关电路，在保证安全使用的前提下，降低加液机成本，提高计量准确度。设计一种基于ATmega128单片机的加液机控制系统，采用单片机作为核心控制芯片，采用科里奥利质量流量计和DC1300型号的压力变送器，分别完成对流量和压力信号的自动采集，同时将采集到的信号送人单片机，根据系统的设定值完成相应的PI控制。最后论述其程序的实现方法，并对改进的PI算法进行验汪，给出仿真结果。
关键词：控制工程；安全可靠；PI控制器；液化天然气（LNG）加液机；ATmega128单片机
文献标志码：A
文章编号：1674-5124（2015）02-0065-04
引 言
目前国内很多加液机采用双枪双计量的方式，其中“双枪”指的是一支加液枪和一支回气枪；“双计量”指的是分别与加液枪和回气管路串联的流量计。加液时，加液机分别对加液和回气进行计量、求差，从而得出加液量。目前此种加液机的相对误差约为+0.5%。但是由于其成本过高，因此国内部分加液机采用双枪单计量的方式，即去掉了回气管路上的流量计。此种加液机的相对误差明显增加，最大约为5%，但很大程度上降低了成本。
除成本和精度问题外，国内大多数加液机运行时都存在瞬间高压冲击等问题，甚至一些加液机由此产生泄漏等安全方面的隐患。所谓高压冲击，是指当加液机阀门切换或切断时，由高频运行的潜液泵所带来的瞬间高压冲击。加液机运行时的流量越大，冲击越明显，后果越严重。近几年，随着国外喷淋式车载瓶（加液过程中可以对瓶内的气态LNG进行液化）技术的引进，为单枪单计量加液机的使用打下了基础。本文正是基于其原理，设计一种单枪单计量加液机控制器，以AVR单片机为核心，通过控制电磁阀、调节阀，以调压运行的工作方式，调节加液机进口压力，来解决目前加液机运行时所出现的问题。
1.工作原理
为了更好地了解加液机的运行，先简单介绍整个加液站的工作流程：液化天然气自储罐流入加液撬的潜液泵，经过潜液泵提升压力后，自加液机进液口流入加液机。加液机工作流程如图1所示。
与其他加液机相同，本文所设计的加液机在运行时也包括小循环预冷、大循环预冷、加液3个过程。小循环预冷即是对流量计的预冷，打开预冷电磁阀，并控制调节阀阀门开度，使管道内液化天然气的压力稳定到初始设定值l MPa运行。LNG经过调节阀、流量计、预冷切断阀回流到储罐。由于储罐的压力较低，因此小循环会快速预冷到设定温度。当小循环完成时，加液机自动切换为大循环预冷，即对加液枪的预冷。打开加液电磁阀，同时关断预冷电磁阀，LNG经过调节阀、流量计、加液切断阀、加液枪、单向阀回流到储罐。当大循环预冷满足条件后，调节阀缓慢关断，加液电磁阀关断，此时预冷完成，管道内充满LNG。
小循环预冷到大循环预冷的自动切换可以防止调节阀阀门的频繁启停，简化人员操作。由于预冷完成时，本设计先控制调节阀关断，而不是直接控制电磁阀关断，从而防止因流量突变和潜液泵滞后反应引起的瞬间高压冲击。
预冷完成后进行加液。打开加液电磁阀，采集加液管道内的压力P（t）和瞬时流量V（t），将V（t）与设定值v1.比较，通过PI算法控制调节阀阀门开度，使加液机管道内的流量v（t）稳定到设定值v10。随着LNG经过流量计、加液切断阀、加液枪进入车载瓶，车载瓶内的高压（不超过l MPa）气态天然气将会被再次液化，使瓶内的压力Po降低。因为要保持加液管道内的流量不变，所以压差[P（t）-Po]必须保持不变，即加液管道内的压力p（t）降低。当p（t）≤lMPa时，转入压力控制阶段。将P（t）与设定值1MPa进行比较，通过PI算法使加液管道内的压力稳定在1MPa下运行。加液完成时，通过控制调节阀减小管道内的流量，使潜液泵处于低频运行状态，再关断加液电磁阀和调节阀。
无论车载瓶内的压力高低，本设计都会通过自动调压的方式，使加液机在较低的压力下运行，从而降低事故发生概率，提高加液机的安全可靠性。2调节器硬件电路设计
首先把压力变送器输出的4～20mA电流信号经电阻R34转换为电压信号，然后经集成运放模块送入单片机（Atmega128）ADC端口，见图2，其中E_AIO接压力变送器信号输H{端，ADINO接单片机ADC输入端口。高速双向二极管D3与阻容滤波电路相结合，对接口起箝位保护作用。集成运放LM324用作电压跟随器，起隔离缓冲作用，通过提高输入阻抗来提高信号精度。
单片机采集的电压信号经过单片机内部10位A/D转换器转换、运算，得出的数字量信号经过D/A转换器转换为模拟电流信号，再经过运算放大器A1A2和三极管Vri、VT2最终变换成输出电流Ioutc通过调节调零电位器RP1和调量程电位器RP2，可以输出4～20mA直流电流信号，用来驱动调节阀，详细电路如图3所示。
3.PI控制算法及其软件设计
3.1 遇限抑制消弱积分法和带死区的PI控制
若使用增量式PI控制算法，不可避免的会产生截断误差，并被逐次累加起来，产生较大误差，因此本设计采用位置式PI算法。由于单片机的控制是一种采样控制，属于离散控制系统，离散的PI控制算法表达式为式中：k=0，l，2…表示采样序列；
u（k）——第k次采样时刻PI调节器的输出值；
e（k）——第k次采样时刻输入的偏差值；
Ts——采样周期；
Ti——积分时间常数；
Kp——比例系数；
K1——积分系数。
在数字PI控制系统中，当系统开、停或大幅度变动给定值时，系统输出会出现较大的偏差，经过积分项累积后，容易引起“饱和”现象，从而影响控制效果。本设计采用遇限抑制消弱积分法，其基本思路是：计算u（k）时，先判断u（k-l）是否超过限制范围，若已超过umax，则只累计负偏差，并且将kmax-u（k-l）加入积分项，其中ks。为抑制系数。因此控制量不易进入饱和区，即使进入，也能很快退出，改善了系统的输出特性。 在本控制系统中，控制过程要求尽量平稳，为避免控制动作过于频繁，消除由此引起的震荡，可以设置一个不灵敏区B，即采用带死区的PI控制。当k（k）≤B时，把u（k-l）的值赋给u（k），并输出控制量，只有当le（k）I>B时，才按PI算式计算控制量。死区B是一个可调参数，B值太小，调节动作过于频繁，达不到稳定控制的目的；B值太大，会产生很大的纯滞后，所以应根据实际情况而定。
3.2 PI调节器的软件设计
本设计在Windows环境下，编写程序时选用C语言，采用ICCAVR V6.31版本的软件作为开发平台，并配合AVR Studi0 4.0来调试单片机系统的运行。根据上述的PI算法，当加液机启动后，采用定时中断模式实现，其程序流程如图4所示。
4.系统控制算法的仿真
在Simulink下建立了PI控制算法系统仿真图，利用阶跃函数做输入信号，采用两个Switch（选择开关）和一个Memory（记忆模块）来实现，超过输出限值后，只对负偏差部分进行累加，利用Saluralion（积分饱和模块）前后值的偏差来实现积分抑制部分的累加。当输出超过限值后，实现快速抑制积分作用，使系统不会进入积分饱和。
根据调节阀执行机构的惯性环节动态特性，可得调节阀的传递函数：式中：k，a——常数，不同的执行机构k和a的值也不同。
通过实验计算测得DZRHP电动低温调节阀的k值为3.8，a值为0.6。设定采样周期为0.1s，比例系数Kp为5，积分系数Ki为2，抑制系数Ks为2.3，设定阶跃输入幅值为4，Umax限幅值为±5，不灵敏区B为+0.05。开始仿真，首先对基本PI算法进行仿真，结果如图5所示，表明使用普通的PI控制算法会出现较大的超调量，并伴随积分饱和现象，使实际系统输出曲线变得较差。使用遇限抑制积分的PI算法后，首先设定抑制系数Ks为l，其仿真波形如图6所示，其输出仍然会出现积分饱和现象，这是由于抑制系数较小造成的；若抑制系数过高，如图7所示，虽然抑制了积分饱和现象，但是输出曲线上升时间变长，并且出现了小幅震荡，使系统控制性能变差，因此一个合适的抑制系数也是很重要的，取Ks为2.3，如图8所示，输出曲线变得平滑，超调量变小，调节时间变短，提高了系统的控制性能。
5.结束语
本设计以ATmega128单片机为核心芯片，根据实际情况，改进了控制方式，并且使用了遇限抑制积分的PI控制算法。通过对单枪加液机的可行性分析和对调节阀的控制，提出以自动调压的方法来解决潜液泵对加液机的瞬间高压冲击和加注时泄漏的问题，提高了加液机的可靠性，降低了加液机的相对误差，以多次称重的方式测得误差约为±0.1%。经过对PI控制算法的仿真验证，本控制器可以消除积分饱和对系统带来的危害，使系统可以安全稳定运行。
关键词：控制工程；安全可靠；PI控制器；液化天然气（LNG）加液机；ATmega128单片机
文献标志码：A
文章编号：1674-5124（2015）02-0065-04
引 言
目前国内很多加液机采用双枪双计量的方式，其中“双枪”指的是一支加液枪和一支回气枪；“双计量”指的是分别与加液枪和回气管路串联的流量计。加液时，加液机分别对加液和回气进行计量、求差，从而得出加液量。目前此种加液机的相对误差约为+0.5%。但是由于其成本过高，因此国内部分加液机采用双枪单计量的方式，即去掉了回气管路上的流量计。此种加液机的相对误差明显增加，最大约为5%，但很大程度上降低了成本。
除成本和精度问题外，国内大多数加液机运行时都存在瞬间高压冲击等问题，甚至一些加液机由此产生泄漏等安全方面的隐患。所谓高压冲击，是指当加液机阀门切换或切断时，由高频运行的潜液泵所带来的瞬间高压冲击。加液机运行时的流量越大，冲击越明显，后果越严重。近几年，随着国外喷淋式车载瓶（加液过程中可以对瓶内的气态LNG进行液化）技术的引进，为单枪单计量加液机的使用打下了基础。本文正是基于其原理，设计一种单枪单计量加液机控制器，以AVR单片机为核心，通过控制电磁阀、调节阀，以调压运行的工作方式，调节加液机进口压力，来解决目前加液机运行时所出现的问题。
1.工作原理
为了更好地了解加液机的运行，先简单介绍整个加液站的工作流程：液化天然气自储罐流入加液撬的潜液泵，经过潜液泵提升压力后，自加液机进液口流入加液机。加液机工作流程如图1所示。
与其他加液机相同，本文所设计的加液机在运行时也包括小循环预冷、大循环预冷、加液3个过程。小循环预冷即是对流量计的预冷，打开预冷电磁阀，并控制调节阀阀门开度，使管道内液化天然气的压力稳定到初始设定值l MPa运行。LNG经过调节阀、流量计、预冷切断阀回流到储罐。由于储罐的压力较低，因此小循环会快速预冷到设定温度。当小循环完成时，加液机自动切换为大循环预冷，即对加液枪的预冷。打开加液电磁阀，同时关断预冷电磁阀，LNG经过调节阀、流量计、加液切断阀、加液枪、单向阀回流到储罐。当大循环预冷满足条件后，调节阀缓慢关断，加液电磁阀关断，此时预冷完成，管道内充满LNG。
小循环预冷到大循环预冷的自动切换可以防止调节阀阀门的频繁启停，简化人员操作。由于预冷完成时，本设计先控制调节阀关断，而不是直接控制电磁阀关断，从而防止因流量突变和潜液泵滞后反应引起的瞬间高压冲击。
预冷完成后进行加液。打开加液电磁阀，采集加液管道内的压力P（t）和瞬时流量V（t），将V（t）与设定值v1.比较，通过PI算法控制调节阀阀门开度，使加液机管道内的流量v（t）稳定到设定值v10。随着LNG经过流量计、加液切断阀、加液枪进入车载瓶，车载瓶内的高压（不超过l MPa）气态天然气将会被再次液化，使瓶内的压力Po降低。因为要保持加液管道内的流量不变，所以压差[P（t）-Po]必须保持不变，即加液管道内的压力p（t）降低。当p（t）≤lMPa时，转入压力控制阶段。将P（t）与设定值1MPa进行比较，通过PI算法使加液管道内的压力稳定在1MPa下运行。加液完成时，通过控制调节阀减小管道内的流量，使潜液泵处于低频运行状态，再关断加液电磁阀和调节阀。
无论车载瓶内的压力高低，本设计都会通过自动调压的方式，使加液机在较低的压力下运行，从而降低事故发生概率，提高加液机的安全可靠性。2调节器硬件电路设计
首先把压力变送器输出的4～20mA电流信号经电阻R34转换为电压信号，然后经集成运放模块送入单片机（Atmega128）ADC端口，见图2，其中E_AIO接压力变送器信号输H{端，ADINO接单片机ADC输入端口。高速双向二极管D3与阻容滤波电路相结合，对接口起箝位保护作用。集成运放LM324用作电压跟随器，起隔离缓冲作用，通过提高输入阻抗来提高信号精度。
单片机采集的电压信号经过单片机内部10位A/D转换器转换、运算，得出的数字量信号经过D/A转换器转换为模拟电流信号，再经过运算放大器A1A2和三极管Vri、VT2最终变换成输出电流Ioutc通过调节调零电位器RP1和调量程电位器RP2，可以输出4～20mA直流电流信号，用来驱动调节阀，详细电路如图3所示。
3.PI控制算法及其软件设计
3.1 遇限抑制消弱积分法和带死区的PI控制
若使用增量式PI控制算法，不可避免的会产生截断误差，并被逐次累加起来，产生较大误差，因此本设计采用位置式PI算法。由于单片机的控制是一种采样控制，属于离散控制系统，离散的PI控制算法表达式为式中：k=0，l，2…表示采样序列；
u（k）——第k次采样时刻PI调节器的输出值；
e（k）——第k次采样时刻输入的偏差值；
Ts——采样周期；
Ti——积分时间常数；
Kp——比例系数；
K1——积分系数。
在数字PI控制系统中，当系统开、停或大幅度变动给定值时，系统输出会出现较大的偏差，经过积分项累积后，容易引起“饱和”现象，从而影响控制效果。本设计采用遇限抑制消弱积分法，其基本思路是：计算u（k）时，先判断u（k-l）是否超过限制范围，若已超过umax，则只累计负偏差，并且将kmax-u（k-l）加入积分项，其中ks。为抑制系数。因此控制量不易进入饱和区，即使进入，也能很快退出，改善了系统的输出特性。 在本控制系统中，控制过程要求尽量平稳，为避免控制动作过于频繁，消除由此引起的震荡，可以设置一个不灵敏区B，即采用带死区的PI控制。当k（k）≤B时，把u（k-l）的值赋给u（k），并输出控制量，只有当le（k）I>B时，才按PI算式计算控制量。死区B是一个可调参数，B值太小，调节动作过于频繁，达不到稳定控制的目的；B值太大，会产生很大的纯滞后，所以应根据实际情况而定。
3.2 PI调节器的软件设计
本设计在Windows环境下，编写程序时选用C语言，采用ICCAVR V6.31版本的软件作为开发平台，并配合AVR Studi0 4.0来调试单片机系统的运行。根据上述的PI算法，当加液机启动后，采用定时中断模式实现，其程序流程如图4所示。
4.系统控制算法的仿真
在Simulink下建立了PI控制算法系统仿真图，利用阶跃函数做输入信号，采用两个Switch（选择开关）和一个Memory（记忆模块）来实现，超过输出限值后，只对负偏差部分进行累加，利用Saluralion（积分饱和模块）前后值的偏差来实现积分抑制部分的累加。当输出超过限值后，实现快速抑制积分作用，使系统不会进入积分饱和。
根据调节阀执行机构的惯性环节动态特性，可得调节阀的传递函数：式中：k，a——常数，不同的执行机构k和a的值也不同。
通过实验计算测得DZRHP电动低温调节阀的k值为3.8，a值为0.6。设定采样周期为0.1s，比例系数Kp为5，积分系数Ki为2，抑制系数Ks为2.3，设定阶跃输入幅值为4，Umax限幅值为±5，不灵敏区B为+0.05。开始仿真，首先对基本PI算法进行仿真，结果如图5所示，表明使用普通的PI控制算法会出现较大的超调量，并伴随积分饱和现象，使实际系统输出曲线变得较差。使用遇限抑制积分的PI算法后，首先设定抑制系数Ks为l，其仿真波形如图6所示，其输出仍然会出现积分饱和现象，这是由于抑制系数较小造成的；若抑制系数过高，如图7所示，虽然抑制了积分饱和现象，但是输出曲线上升时间变长，并且出现了小幅震荡，使系统控制性能变差，因此一个合适的抑制系数也是很重要的，取Ks为2.3，如图8所示，输出曲线变得平滑，超调量变小，调节时间变短，提高了系统的控制性能。
5.结束语
本设计以ATmega128单片机为核心芯片，根据实际情况，改进了控制方式，并且使用了遇限抑制积分的PI控制算法。通过对单枪加液机的可行性分析和对调节阀的控制，提出以自动调压的方法来解决潜液泵对加液机的瞬间高压冲击和加注时泄漏的问题，提高了加液机的可靠性，降低了加液机的相对误差，以多次称重的方式测得误差约为±0.1%。经过对PI控制算法的仿真验证，本控制器可以消除积分饱和对系统带来的危害，使系统可以安全稳定运行。