基于模糊 PID控制的阴极保护恒电位仪设计

2021-08-20邹绍维燕朝果梁东江黎才文黄崇林苏乃权

机电工程技术 2021年11期

邹绍维燕朝果梁东江黎才文黄崇林苏乃权

摘要：由于恒电位仪防腐涂层存在着老化、磨损等问题，常加入阴极保护措施。阴极保护恒电位仪常运用于山地的长距离埋地输油管道的检测，其所处的环境比较复杂，检测效果常受复杂环境因素影响，为克服阴极保护极化的高阶延迟性和不精确性。采用控制精度更高、抗干扰能力更强的模糊 PID 算法对恒电位仪系统进行设计。主要是通过预存知识库对输入量进行模糊推理，再结合模糊决策生成 PID 控制参数的调节量，以此实现 PID控制器控制参数的自动整定及控制量调节，从而达到控制的目的，有效提升系统的控制精度和可靠性。通过模拟测试验证，模糊 PID 控制相对于传统 PID 控制对系统的输出量调控更加稳定。

关键词：恒电位仪;模糊 PID 控制; PID 控制;阴极保护

中圖分类号：TG174.4文献标志码：A文章编号：1009-9492（2021）11-0243-04

Design of Cathodic Protection Potentiostat Based on Fuzzy PID Control

Zou Shaowei1，Yan Chaoguo1，Liang Dongjiang1，Li Caiwen1，Huang Chonglin2，Su Naiquan2※

（1. South China Branch， National Petroleum and Natural Gas Pipeline Network Group Co.， Ltd.， Maoming， Guangdong 525000， China;2. School of Electromechanical Engineering， Guangdong University of Petrochemical Technology， Maoming， Guangdong 525000， China）

Abstract： Due to the aging and wear of potentiostat anticorrosive coating， cathodic protection measures are often added. Cathodic protection potentiostat is often used to detect long-distance buried oil pipelines in mountainous areas， the environment of its location is complex， and the detection effect is often affected by complex environmental factors. In order to overcome the high-order delay and inaccuracy of cathodic protection polarization， the fuzzy PID algorithm with higher control accuracy and stronger anti-interference ability was used to design the potentiostat system. It mainly carried out fuzzy reasoning on the input quantity through the pre-stored knowledge， and then generated the adjustment quantity of PID control parameters in combination with fuzzy decision-making， so as to realize the automatic setting of PID controller control parameters and the adjustment of control quantity. So as to achieve the purpose of control， and effectively improve the control accuracy and reliability of the system. The simulation test shows that the fuzzy PID control is more stable than the traditional PID control.

Key words： potentiostat; fuzzy PID control; PID control; cathodic protection

0 引言

防腐涂层技术和阴极保护技术是保护埋地金属管道免受电化学腐蚀的两种重要手段。但由于防腐涂层存在着老化、磨损等问题，单独采用防腐涂层技术的管道仍然具有极大的风险被腐蚀。因此对重要的管道往往需要采取防腐涂层和阴极保护联合的保护措施。其中阴极保护就是利用外部直流电源对金属材料的被保护的对象接通阴极电流，使其阴极极化的过程。工程中一般采用恒电位仪来进行阴极保护，而恒电位仪是一种能够通过比较给定信号和反馈信号从而自动调节输出功率的工业直流电源，可对地下或水下的金属构件提供电流阴极保护，从而达到减缓电化学腐蚀、增加埋地金属件使用寿命的目的[1-3]。

PID 控制是工程上最常见的控制方法之一。但由于 PID 控制存在着诸如电位超调、恒电位不稳定、跟踪响应滞后等诸多先天不足[4-5]。只有当被保护对象处于相对稳定的环境中时，PID 控制才能取得较好的应用效果。田刚[6]提出一种模糊 PID 控制器在工业锅炉智能监控中的应用方法，该方法稳态性能在调节时间上有显著优势。张博等[7]针对太阳能供热控制系统所处的外界温度干扰、温度传感器测量误差和储水箱中加热棒导热的延迟，导致供热水温不稳定、温度控制精度低和滞后等问题，提出一种模糊 PID 的太阳能供热控制系统。宋鉴麒等[8]针对传统的 PID 控制方法对非线性系统的控制效果较差问题，提出了一种将模糊控制与 PID 相结合的控制策略。蔡展鹏等[9]为提高无刷直流电机伺服系统在瞬态和稳态环境下的控制性能，提出一种基于模糊内核的改进非线性 PID 算法。

涉及的长距离输油管道处于地形复杂的山地环境之下，被保护对象的阴极极化的过程具有非线性、时变性、外部干扰的不确定性等特点。本文针对上述特点，采用了模糊 PID 算法对恒电位仪系统进行了控制。与单纯的 PID 控制相比，模糊 PID 控制使得系统抵抗外部干扰的鲁棒性提高了。

1 恒电位仪基本原理与整体设计

金属管道的阴极保护是指为了减缓地下金属管道的电化学腐蚀，需要为被保护的金属管道提供外部电势，使其处于电子过剩的状态，并消除金属表面不同部位在电解质溶液中的电势差，避免原电池的产生，从而达到减少金属电化学腐蚀的目的[10]。

恒电位仪是一种成熟的电流阴极保护设备，可稳定地实现保护电位控制的自动化，在管道的阴极保护工程中得到了广泛应用。其工作原理如图1所示，是测量参比电极电压，并根据其变化调节电源输出电流的大小，使得参比电极的电位稳定在给定电位附近。恒电位仪包含有：控制模块、A/D模块、D/A模块、用户交互模块、电源模块和报警模块，恒电位仪系统如图2所示。

恒电位仪系统不同组成部分特点：（1）控制模块选用 STC12C5A32S2单片机，该型号的单片机具有价格便宜、抗干扰能力强的特点; （2） A/D 模块选用了华研 ADAM-5017S模块（16位），此模块可将测量到的模拟量（如恒电位仪的输出电压、电流以及参比极电压）转化为数字量传递给控制模块;（3） D/A模块选用了模数转换器 ADAM5024，此模块可以将把控制单元输出的控制信号转化为模拟量传递给电源模块;（4）电源模块包含有整流滤波器（用于把市电220 V交流转为300 V 直流）、 DC/DC变换电路（用于接收来自 D/A模块的模拟控制信号，控制高频开关电源的输出电压）、稳压电路;（5）用户交互模块包含有液晶显示器和键盘，液晶显示器用于显示参比电压、预置电压、输出电流、输出电压，键盘则用于输入预置电压;（6）报警模块为声光报警器，当输出电压、电流超出阈值时发出声光报警。

2 基于模糊 PID控制的恒电位仪

为克服阴极保护极化的高阶延迟性和不精确性[11]，采用了模糊 PID 控制算法对恒电位仪进行控制。

2.1 模糊 PID控制原理

PID 控制（全称为比例-积分-微分控制）是最早发展起来的控制策略之一，被广泛应用于工业过程控制中。其实质就是根据比较偏差 e ，按照比例、积分、微分的函数关系进行运算并进一步将运算结果用于输出控制[7]。其离散的 PID 表达形式为：

式中：u（k）为控制器的输出，在恒电位仪系统中对应了电源模块输出电流的调节量;e（k）为第 k 次采样的比较偏差，即给定值 r（k）与输出值 c（k）的差，其中 r（k）为预设的保护电位，c（k）为参比电极的电位;Kp、Ki 、Kd分别为 PID 控制器的比例系数、积分系数和微分系数。

模糊 PID 控制可分为模糊部分和 PID 控制部分。其中模糊部分的作用为：通过预存知识库对输入量（与 PID 控制不同，模糊 PID 控制的输入量包含 e（k）和ec（k），其中ec（k）为第k 次采样的比较偏差变化率）进行模糊推理，再通过模糊决策生成 PID 控制参数的调节量：ΔKp、ΔKi 、ΔKd，从而实现 PID 控制器控制参数的自动整定;PID 控制部分则根据整定后的Kp、Ki 、Kd对控制量进行调节，以达到控制的目的。以恒电位仪控制系统为例，单纯的 PID 控制与模糊 PID 控制流程对比如图3所示。

2.2PID控制器参数的模糊整定

恒电位仪 PID 控制参数的模糊整定包含了如下步骤。

（1）模糊控制器的输入量（e（k）、ec（k））是来自A/D 模块（16位）的数字量，所以把输入量 e（k）和ec（k）的基本论域设为[-65535，65535]。利用尺度量化因子Ke和Kec将输入量映射到模糊论域[-6，6]上，并用模糊语言变量 E ，EC来表示输入量。其中：

式中：Ke和Kec的值都为65535/6=10922.5。

利用语言表达值把 E ， EC 量化为7个等级：{NB， NM， NS， ZO， PS， PM， PB};模糊控制器的输出变量为ΔKp、ΔKi和ΔKd，其中ΔKp∈[-0.3， 0.3]，ΔKi ∈[-0.06， 0.06]，ΔKd∈[-3， 3]。同样地，使用语言变量 KP 、 KI 、 KD 来表示它们：KP 、 KI 、 KD 的模糊论域为[-6，6]，量化等级为7个： {NB， NM， NS， ZO， PS， PM， PB}。

（2）确定模糊语言变量的隶属度函数 u（x）。根据对阴极保护特点的总结，采用正态分布来作为语言变量模糊子集的隶属度函数[12-13]：

a 为正态分布 u（x）的均值，a 的取值以及各个模糊子域的区间分布如表1所示，各个模糊子集对应的隶属函数分布如图4所示，输入变量和输出变量在各个模糊子域上的隶属度函数均符合上述描述。

（3）生成模糊规则表。模糊规则表是表达2个模糊输入量和3个模糊输出量间映射关系的二维表格，应符合下面的生成原则：①当E 的值比较大时，系统处于调节初期，这时参考电极的电位和给定电位相差较大，所以需要提高系统的响应速度，因此选取较大的Kp使得电源的输出电流以较快的速度增大，但同时为了避免输出量超调，需要选取较小的 Ki ，同样地为了减小比较偏差变化率应使Kd取一个比较小的值，所以在这种情况下应该生成较大的 KP 和较小的 KI ，KD ;②当E 大小适中时，系统处于调节中期，应选适当减小Kp以减少输出的超调量，选取大小适中的 Ki 和Kd以消除稳态误差并保证系统的响应速度，所以此时应该生成较小的 KP 和适中的 KI， KD ;③当E 较小时，系统处于调节过程的后期，此时Kp和 Ki 要取较大的值以减小静差并消除稳态误差，Kd则与 EC 密切相关，即当 EC 較大时为了减少系统的输出震荡要取较小的Kd，反之当 EC 较小时则应取较大的Kd，所以此时应该生成较大的 KP 和 KI 、KD 的大小则应与 EC 呈相反趋势。根据上面3个原则，模糊规则表如表2所示。

（4）输入条件语句，进行模糊推理。对应模糊控制器的2个模糊输入量和3个模糊输出量，条件语句如下： IF E AND EC THEN KP; IF E AND EC THEN KI; IF E AND EC THEN KD 。根据输入的模糊量，可以由模糊控制规则表和条件语句进行模糊推理，从而得到输出模糊变量，本文采用工程中最常用的Mamdani法进行模糊推理。

（5）输出模糊变量的清晰化。使用重心法对模糊输出量进行解模糊，得到ΔKp、ΔKi 和ΔKd。最后进行 PID 控制参数的自整定如下：

式中： K 、Ki′、K 分别为Kp、Ki 、Kd的初始值。

3 现场运行反馈

恒电位仪为位于粤西山地的长距离输油管道提供阴极保护，现场的年平均气温约为20℃，湿度可达50%以上。图5所示为使用同一套硬件、同一个管道点位的恒电位仪在使用不同控制方法（ PID控制和模糊 PID控制）连续15天后，其输出电流以及参比电极电压的对比情况。由图可知，使用经典的 PID控制时，系统的输出量可观测到明显的震荡，且最大超调量可达3.2%;而使用模糊 PID控制时，系统的输出量一直比较平稳，系统的超调量被控制在0.8%以下。

4结束语

本文提出基于模糊 PID控制的阴极保护恒电位仪设

计，克服阴极保护极化的高阶延遲性和不精确性，提供更低的超调量、更好的鲁棒性以及更高的控制精度，且能为长距离埋地输油管道提供更可靠的阴极保护效果。并且在粤西山地的油管实地测试中，运用经典的 PID控制，其系统的输出量可观测到明显的震荡，且最大超调量可达3.2%;而使用模糊 PID控制时，系统的输出量一直比较平稳，系统的超调量被控制在0.8%以下。

参考文献：

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第一作者简介：邹绍维（1984-），男，四川安岳人，工程师，研究领域为材料科学与工程，已发表论文2篇。