基于模糊 PID控制的陰極保護恒電位儀設(shè)計

鄒紹維 燕朝果 梁東江 黎才文 黃崇林 蘇乃權(quán)

摘要：由于恒電位儀防腐涂層存在著老化、磨損等問題，常加入陰極保護措施。陰極保護恒電位儀常運用于山地的長距離埋地輸油管道的檢測，其所處的環(huán)境比較復(fù)雜，檢測效果常受復(fù)雜環(huán)境因素影響，為克服陰極保護極化的高階延遲性和不精確性。采用控制精度更高、抗干擾能力更強的模糊 PID 算法對恒電位儀系統(tǒng)進行設(shè)計。主要是通過預(yù)存知識庫對輸入量進行模糊推理，再結(jié)合模糊決策生成 PID 控制參數(shù)的調(diào)節(jié)量，以此實現(xiàn) PID控制器控制參數(shù)的自動整定及控制量調(diào)節(jié)，從而達到控制的目的，有效提升系統(tǒng)的控制精度和可靠性。通過模擬測試驗證，模糊 PID 控制相對于傳統(tǒng) PID 控制對系統(tǒng)的輸出量調(diào)控更加穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：恒電位儀;模糊 PID 控制; PID 控制;陰極保護

中圖分類號：TG174.4文獻標志碼：A文章編號：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

防腐涂層技術(shù)和陰極保護技術(shù)是保護埋地金屬管道免受電化學腐蝕的兩種重要手段。但由于防腐涂層存在著老化、磨損等問題，單獨采用防腐涂層技術(shù)的管道仍然具有極大的風險被腐蝕。因此對重要的管道往往需要采取防腐涂層和陰極保護聯(lián)合的保護措施。其中陰極保護就是利用外部直流電源對金屬材料的被保護的對象接通陰極電流，使其陰極極化的過程。工程中一般采用恒電位儀來進行陰極保護，而恒電位儀是一種能夠通過比較給定信號和反饋信號從而自動調(diào)節(jié)輸出功率的工業(yè)直流電源，可對地下或水下的金屬構(gòu)件提供電流陰極保護，從而達到減緩電化學腐蝕、增加埋地金屬件使用壽命的目的[1-3]。

PID 控制是工程上最常見的控制方法之一。但由于 PID 控制存在著諸如電位超調(diào)、恒電位不穩(wěn)定、跟蹤響應(yīng)滯后等諸多先天不足[4-5]。只有當被保護對象處于相對穩(wěn)定的環(huán)境中時，PID 控制才能取得較好的應(yīng)用效果。田剛[6]提出一種模糊 PID 控制器在工業(yè)鍋爐智能監(jiān)控中的應(yīng)用方法，該方法穩(wěn)態(tài)性能在調(diào)節(jié)時間上有顯著優(yōu)勢。張博等[7]針對太陽能供熱控制系統(tǒng)所處的外界溫度干擾、溫度傳感器測量誤差和儲水箱中加熱棒導(dǎo)熱的延遲，導(dǎo)致供熱水溫不穩(wěn)定、溫度控制精度低和滯后等問題，提出一種模糊 PID 的太陽能供熱控制系統(tǒng)。宋鑒麒等[8]針對傳統(tǒng)的 PID 控制方法對非線性系統(tǒng)的控制效果較差問題，提出了一種將模糊控制與 PID 相結(jié)合的控制策略。蔡展鵬等[9]為提高無刷直流電機伺服系統(tǒng)在瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)環(huán)境下的控制性能，提出一種基于模糊內(nèi)核的改進非線性 PID 算法。

涉及的長距離輸油管道處于地形復(fù)雜的山地環(huán)境之下，被保護對象的陰極極化的過程具有非線性、時變性、外部干擾的不確定性等特點。本文針對上述特點，采用了模糊 PID 算法對恒電位儀系統(tǒng)進行了控制。與單純的 PID 控制相比，模糊 PID 控制使得系統(tǒng)抵抗外部干擾的魯棒性提高了。

1 恒電位儀基本原理與整體設(shè)計

金屬管道的陰極保護是指為了減緩地下金屬管道的電化學腐蝕，需要為被保護的金屬管道提供外部電勢，使其處于電子過剩的狀態(tài)，并消除金屬表面不同部位在電解質(zhì)溶液中的電勢差，避免原電池的產(chǎn)生，從而達到減少金屬電化學腐蝕的目的[10]。

恒電位儀是一種成熟的電流陰極保護設(shè)備，可穩(wěn)定地實現(xiàn)保護電位控制的自動化，在管道的陰極保護工程中得到了廣泛應(yīng)用。其工作原理如圖1所示，是測量參比電極電壓，并根據(jù)其變化調(diào)節(jié)電源輸出電流的大小，使得參比電極的電位穩(wěn)定在給定電位附近。恒電位儀包含有：控制模塊、A/D模塊、D/A模塊、用戶交互模塊、電源模塊和報警模塊，恒電位儀系統(tǒng)如圖2所示。

恒電位儀系統(tǒng)不同組成部分特點：（1） 控制模塊選用 STC12C5A32S2單片機，該型號的單片機具有價格便宜、抗干擾能力強的特點; （2） A/D 模塊選用了華研 ADAM-5017S模塊（16位），此模塊可將測量到的模擬量（如恒電位儀的輸出電壓、電流以及參比極電壓）轉(zhuǎn)化為數(shù)字量傳遞給控制模塊;（3） D/A模塊選用了模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADAM5024，此模塊可以將把控制單元輸出的控制信號轉(zhuǎn)化為模擬量傳遞給電源模塊;（4）電源模塊包含有整流濾波器（用于把市電220 V交流轉(zhuǎn)為300 V 直流）、 DC/DC變換電路（用于接收來自 D/A模塊的模擬控制信號，控制高頻開關(guān)電源的輸出電壓）、穩(wěn)壓電路;（5）用戶交互模塊包含有液晶顯示器和鍵盤，液晶顯示器用于顯示參比電壓、預(yù)置電壓、輸出電流、輸出電壓，鍵盤則用于輸入預(yù)置電壓;（6）報警模塊為聲光報警器，當輸出電壓、電流超出閾值時發(fā)出聲光報警。

2 基于模糊 PID控制的恒電位儀

為克服陰極保護極化的高階延遲性和不精確性[11]，采用了模糊 PID 控制算法對恒電位儀進行控制。

2.1 模糊 PID控制原理

PID 控制（全稱為比例-積分-微分控制）是最早發(fā)展起來的控制策略之一，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制中。其實質(zhì)就是根據(jù)比較偏差 e ，按照比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進行運算并進一步將運算結(jié)果用于輸出控制[7]。其離散的 PID 表達形式為：

式中：u（k）為控制器的輸出，在恒電位儀系統(tǒng)中對應(yīng)了電源模塊輸出電流的調(diào)節(jié)量;e（k）為第 k 次采樣的比較偏差，即給定值 r（k）與輸出值 c（k）的差，其中 r（k）為預(yù)設(shè)的保護電位，c（k）為參比電極的電位;Kp、Ki 、Kd分別為 PID 控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)。

模糊 PID 控制可分為模糊部分和 PID 控制部分。其中模糊部分的作用為：通過預(yù)存知識庫對輸入量（與 PID 控制不同，模糊 PID 控制的輸入量包含 e（k）和ec（k），其中ec（k）為第k 次采樣的比較偏差變化率）進行模糊推理，再通過模糊決策生成 PID 控制參數(shù)的調(diào)節(jié)量：ΔKp、ΔKi 、ΔKd，從而實現(xiàn) PID 控制器控制參數(shù)的自動整定;PID 控制部分則根據(jù)整定后的Kp、Ki 、Kd對控制量進行調(diào)節(jié)，以達到控制的目的。以恒電位儀控制系統(tǒng)為例，單純的 PID 控制與模糊 PID 控制流程對比如圖3所示。

2.2PID控制器參數(shù)的模糊整定

恒電位儀 PID 控制參數(shù)的模糊整定包含了如下步驟。

（1） 模糊控制器的輸入量（e（k）、ec（k））是來自A/D 模塊（16位）的數(shù)字量，所以把輸入量 e（k）和ec（k）的基本論域設(shè)為[-65535，65535]。利用尺度量化因子Ke和Kec將輸入量映射到模糊論域[-6，6]上，并用模糊語言變量 E ，EC來表示輸入量。其中：

式中：Ke和Kec的值都為65535/6=10922.5。

利用語言表達值把 E ， EC 量化為7個等級：{NB， NM， NS， ZO， PS， PM， PB};模糊控制器的輸出變量為ΔKp、ΔKi和ΔKd，其中ΔKp∈[-0.3， 0.3]，ΔKi ∈[-0.06， 0.06]，ΔKd∈[-3， 3]。同樣地，使用語言變量 KP 、 KI 、 KD 來表示它們：KP 、 KI 、 KD 的模糊論域為[-6，6]，量化等級為7個： {NB， NM， NS， ZO， PS， PM， PB}。

（2） 確定模糊語言變量的隸屬度函數(shù) u（x）。根據(jù)對陰極保護特點的總結(jié)，采用正態(tài)分布來作為語言變量模糊子集的隸屬度函數(shù)[12-13]：

a 為正態(tài)分布 u（x）的均值，a 的取值以及各個模糊子域的區(qū)間分布如表1所示，各個模糊子集對應(yīng)的隸屬函數(shù)分布如圖4所示，輸入變量和輸出變量在各個模糊子域上的隸屬度函數(shù)均符合上述描述。

（3） 生成模糊規(guī)則表。模糊規(guī)則表是表達2個模糊輸入量和3個模糊輸出量間映射關(guān)系的二維表格，應(yīng)符合下面的生成原則：①當E 的值比較大時，系統(tǒng)處于調(diào)節(jié)初期，這時參考電極的電位和給定電位相差較大，所以需要提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，因此選取較大的Kp使得電源的輸出電流以較快的速度增大，但同時為了避免輸出量超調(diào)，需要選取較小的 Ki ，同樣地為了減小比較偏差變化率應(yīng)使Kd取一個比較小的值，所以在這種情況下應(yīng)該生成較大的 KP 和較小的 KI ，KD ;②當E 大小適中時，系統(tǒng)處于調(diào)節(jié)中期，應(yīng)選適當減小Kp以減少輸出的超調(diào)量，選取大小適中的 Ki 和Kd以消除穩(wěn)態(tài)誤差并保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度，所以此時應(yīng)該生成較小的 KP 和適中的 KI， KD ;③當E 較小時，系統(tǒng)處于調(diào)節(jié)過程的后期，此時Kp和 Ki 要取較大的值以減小靜差并消除穩(wěn)態(tài)誤差，Kd則與 EC 密切相關(guān)，即當 EC 較大時為了減少系統(tǒng)的輸出震蕩要取較小的Kd，反之當 EC 較小時則應(yīng)取較大的Kd，所以此時應(yīng)該生成較大的 KP 和 KI 、KD 的大小則應(yīng)與 EC 呈相反趨勢。根據(jù)上面3個原則，模糊規(guī)則表如表2所示。

（4） 輸入條件語句，進行模糊推理。對應(yīng)模糊控制器的2個模糊輸入量和3個模糊輸出量，條件語句如下： IF E AND EC THEN KP; IF E AND EC THEN KI; IF E AND EC THEN KD 。根據(jù)輸入的模糊量，可以由模糊控制規(guī)則表和條件語句進行模糊推理，從而得到輸出模糊變量，本文采用工程中最常用的Mamdani法進行模糊推理。

（5）輸出模糊變量的清晰化。使用重心法對模糊輸出量進行解模糊，得到ΔKp、ΔKi 和ΔKd。最后進行 PID 控制參數(shù)的自整定如下：

式中： K 、Ki′、K 分別為Kp、Ki 、Kd的初始值。

3 現(xiàn)場運行反饋

恒電位儀為位于粵西山地的長距離輸油管道提供陰極保護，現(xiàn)場的年平均氣溫約為20℃，濕度可達50%以上。圖5所示為使用同一套硬件、同一個管道點位的恒電位儀在使用不同控制方法（ PID控制和模糊 PID控制）連續(xù)15天后，其輸出電流以及參比電極電壓的對比情況。由圖可知，使用經(jīng)典的 PID控制時，系統(tǒng)的輸出量可觀測到明顯的震蕩，且最大超調(diào)量可達3.2%;而使用模糊 PID控制時，系統(tǒng)的輸出量一直比較平穩(wěn)，系統(tǒng)的超調(diào)量被控制在0.8%以下。

4結(jié)束語

本文提出基于模糊 PID控制的陰極保護恒電位儀設(shè)

計，克服陰極保護極化的高階延遲性和不精確性，提供更低的超調(diào)量、更好的魯棒性以及更高的控制精度，且能為長距離埋地輸油管道提供更可靠的陰極保護效果。并且在粵西山地的油管實地測試中，運用經(jīng)典的 PID控制，其系統(tǒng)的輸出量可觀測到明顯的震蕩，且最大超調(diào)量可達3.2%;而使用模糊 PID控制時，系統(tǒng)的輸出量一直比較平穩(wěn)，系統(tǒng)的超調(diào)量被控制在0.8%以下。

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第一作者簡介：鄒紹維（1984-），男，四川安岳人，工程師，研究領(lǐng)域為材料科學與工程，已發(fā)表論文2篇。

※通訊作者簡介：蘇乃權(quán)（1990-），男，廣東雷州人，博士，講師，研究領(lǐng)域為故障診斷與信號處理，已發(fā)表論文10多篇。

（編輯：王智圣）