管道電流測繪交流恒流源雙環(huán)控制策略研究

摘" 要： 為解決埋地輸油管道阻容性負載對恒流源的影響，結(jié)合交流恒流源模型，針對傳統(tǒng)電壓電流雙閉環(huán)控制在應(yīng)對阻容性負載時，出現(xiàn)的輸出波形失真問題展開研究，提出一種管道電流測繪交流恒流源雙環(huán)控制策略。在內(nèi)環(huán)控制方面，采用電感電流瞬時反饋和負載電流前饋的PI控制策略；對于外環(huán)控制，采用負載電壓反饋的PI控制策略。為進一步完善系統(tǒng)性能，運用極點配置法對控制器參數(shù)進行設(shè)計，以實現(xiàn)更加精準的控制，并通過Matlab進行頻域特性分析和Simulink仿真驗證。結(jié)果表明：經(jīng)過優(yōu)化的控制策略能夠有效抑制阻容性負載條件下的電壓波形畸變，同時在阻性負載和阻容性負載條件下的輸出電流均顯示出良好的正弦性，總諧波失真率分別為2.26%和3.19%，具備良好的動態(tài)性能和魯棒性，可為埋地輸油管道輸油系統(tǒng)的檢測提供堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 恒流源； 雙環(huán)控制； 管道電流測繪系統(tǒng)； 埋地輸油管道； 電流前饋； PI控制； 極點配置法

中圖分類號： TN876?34" " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）20?0065?07

Research on dual?loop control strategy of AC constant current source

for pipeline current mapping

WU Pengyu1， YANG Yong2， REN Xuhu1， YAN Yuqing1， YAN Chenxi1

（1. School of Ocean and Space Information， China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China;

2. Technical Testing Center of Sinopec Shengli Oilfield Branch， Dongying 257000， China）

Abstract： In allusion to the problem of output waveform distortion in traditional voltage current dual loop control when dealing with resistive and capacitive loads， a dual?loop control strategy of AC constant current source for pipeline current mapping is proposed by combing with AC constant current sources model to address the impact of resistive and capacitive loads on constant current sources in buried oil pipelines. In terms of inner loop control， a PI control strategy using inductor current instantaneous feedback and load current feed?forward is adopted. In terms of outer loop control， a PI control strategy based on load voltage feedback is adopted. In order to further improve the system performance， the pole configuration method is used to design the controller parameters， so as to realize more accurate control. The frequency domain characteristic analysis and Simulink simulation verification are conducted by Matlab. The results show that the optimized control strategy can effectively suppress voltage waveform distortion under resistive capacitive load conditions， and the output current under both resistive and capacitive load conditions can exhibit good sinusoidal characteristics. The total harmonic distortion rates are 2.26% and 3.19%， respectively， with good dynamic performance and robustness， providing a solid technical foundation for the detection of oil transportation systems in buried oil pipeline.

Keywords： constant current source; dual?loop control; pipeline current mapping system; buried oil pipeline; current feed?forward; PI control; pole configuration method

0" 引" 言

埋地管道是城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，作為能源、水資源、化工等行業(yè)的重要輸送通道，直接關(guān)系到人們生活的供水、供氣等基本需求。然而，長期深埋于地下的管線會受到土壤等外部因素的腐蝕，導(dǎo)致管線外防腐層腐蝕和破損，進而發(fā)生泄漏和安全事故。為解決上述問題，多頻管中電流法（Pipeline Current Mapper， PCM）[1?2]以其在埋地輸油管道檢測[3]領(lǐng)域的非破壞性、高效率和低成本等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。該方法基于電流傳輸原理，通過交流恒流源在管道上施加交流電流，利用管道本身作為導(dǎo)體形成電流回路，通過檢測地下管道的磁場分布來確定管道的位置和深度，并通過流過管道電流的變化趨勢來判斷管道的破損或腐蝕情況[4]。

目前，市面上的交流恒流源普遍存在功率小、輸出電流波形質(zhì)量差等問題，因此提高交流恒流源輸出功率，增大激勵電流，可提高管道檢測范圍。但面對復(fù)雜多變的土壤環(huán)境或阻容性負載時，交流恒流源的激勵電流并不能達到額定功率，導(dǎo)致輸出信號波形質(zhì)量不佳。在控制算法方面，市面上的恒流源系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的控制策略是以電流閉環(huán)反饋為核心的控制策略。文獻[5]提出了PI控制與重復(fù)控制相結(jié)合的雙閉環(huán)控制算法，其內(nèi)環(huán)采用PI算法實現(xiàn)電流閉環(huán)反饋，同時將輸出電壓作為外環(huán)控制對象，利用重復(fù)控制算法實現(xiàn)外環(huán)控制。文獻[6]利用單相逆變電源的輸出電壓延拓出另外兩相電壓，提出了一種基于三項延拓等效電路與虛擬電路的矢量控制方法。文獻[7]在電流單閉環(huán)控制基礎(chǔ)上，針對普通PID控制算法參數(shù)固定的缺點，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID控制算法相結(jié)合，提出了一種單神經(jīng)元PID控制算法。然而，以上控制算法在面對阻容性負載和外部擾動時的適應(yīng)性較差，可能導(dǎo)致系統(tǒng)難以調(diào)節(jié)或失去穩(wěn)定性。同時，以上控制算法存在計算復(fù)雜度高、實時性差的問題，導(dǎo)致系統(tǒng)對參數(shù)的變化較為敏感，使得在實際工作中難以維持期望的性能水平[8]。為了提高恒流源對阻容性負載和外部擾動的適應(yīng)性，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)性能，本文對電流內(nèi)環(huán)電壓和外環(huán)雙閉環(huán)控制方案展開研究。電流內(nèi)環(huán)控制常采用電感電流或電容電流作為反饋量，兩者都可能在系統(tǒng)面對阻容性負載時，出現(xiàn)輸出電壓波動和過電流的問題，從而對系統(tǒng)的動態(tài)性能產(chǎn)生影響。電壓外環(huán)常使用PR控制來抑制諧振和提高輸出波形質(zhì)量，但由于其復(fù)雜的參數(shù)整定和對系統(tǒng)諧振頻率的敏感性，在使用時還需仔細權(quán)衡。

針對上述問題，本文提出一種優(yōu)化后的控制方案，其中電流內(nèi)環(huán)采用負載電流前饋和電感電流反饋的復(fù)合控制算法，而電壓外環(huán)采用負載電壓反饋的PI控制，確保系統(tǒng)具備高性能的動態(tài)響應(yīng)和面對阻容性負載的強魯棒性。通過引入電感電流反饋，實現(xiàn)了對恒流源的限流保護，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。其次，采用電壓外環(huán)的PI控制不僅確保了輸出電壓的穩(wěn)定性和準確性，通過調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)可以實現(xiàn)對輸出電壓的精確控制，還有助于提高恒流源的輸出波形質(zhì)量和電能轉(zhuǎn)換效率[9]。

1" 交流恒流源數(shù)學模型

交流恒流源[10?11]的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，由全橋逆變電路、LC濾波電路和負載組成。

圖1中，UDC表示恒流源直流母線電壓，S1～S4表示IGBT開關(guān)器件，D1～D4表示續(xù)流二極管，L表示濾波電感，r為濾波電感的等效內(nèi)阻，C表示濾波電容，Uinv表示逆變輸出電壓，UO表示系統(tǒng)輸出電壓，iL表示通過電感的電流，iC表示通過電容的電流，iR表示恒流源輸出電流，RL表示負載阻抗。

忽略濾波電感等效串聯(lián)電阻以及其他阻尼因素的復(fù)合影響，則H橋可以等效為一個受控交流電壓源Uinv。交流恒流源等效電路如圖2所示。

根據(jù)圖2進行電路分析可得：

[dUOdt=1CiL-1CiRdiLdt=1LUinv-1LUO-rLiL] （1）

根據(jù)式（1）可得恒流源的狀態(tài)方程為：

[UOiL=01C-1L-rLUOiL+0-1C1L0UinviR] （2）

假設(shè)將負載電流擾動iR和逆變輸出電壓Uinv定義為系統(tǒng)輸入，負載電壓UO定義為系統(tǒng)輸出，根據(jù)確定的輸入輸出變量后，可以得出此控制系統(tǒng)的空間狀態(tài)表達式為：

[x=Aox+Bouy=Cx] （3）

式中：

[u=UinviRT，" x=UOiLT，" y=UO] （4）

[Ao=01C-1L-rL，" Bo=0-1C1L0，" C=10] （5）

[UO=01iLUO] （6）

將負載電流iR視為外部擾動，由式（3）可以列寫出從全橋逆變電路輸出電壓Uinv到負載電壓UO的傳遞函數(shù)為：

[UO（s）=1LCs2+rCs+1Uinv（s）-Ls+rLCs2+rCs+1iR（s）] （7）

結(jié)合式（7）并綜合分析系統(tǒng)在空載時諧振頻率和阻尼比可知，此控制系統(tǒng)呈現(xiàn)出欠阻尼的特性。由于電感內(nèi)阻較小，導(dǎo)致在恒流源空載狀態(tài)下，系統(tǒng)近似于一個二階無阻尼振蕩系統(tǒng)，這種振蕩極為劇烈，增加了控制的難度，其動態(tài)行為完全由恒流源的固有特性決定，使得系統(tǒng)對擾動的抑制能力較差，動態(tài)性能較弱。因此，需要采用有效的控制方法來優(yōu)化系統(tǒng)性能并提高其穩(wěn)定性。

2" 恒流源PI雙環(huán)控制策略研究

2.1" 雙環(huán)控制策略分析

恒流源的雙環(huán)控制策略是電力電子系統(tǒng)中至關(guān)重要的控制方法之一，一般由電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)兩部分組成，電流內(nèi)環(huán)負責追蹤和控制輸出電流，而電壓外環(huán)則負責維持輸出在期望值。這種策略通過精確控制電流和電壓，實現(xiàn)對恒流源輸出的高效調(diào)節(jié)和穩(wěn)定控制，從而提高恒流源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

電流內(nèi)環(huán)控制常采用電感電流或電容電流作為反饋量。電感電流反饋具有較快的響應(yīng)速度[12]和相對穩(wěn)定的特點，適用于對系統(tǒng)動態(tài)性能要求較高的場景，但是難以實現(xiàn)對恒流源的限流保護，且可能存在較大的穩(wěn)態(tài)誤差。相反，電容電流反饋具有限流保護能力，能夠更好地應(yīng)對恒流源的過載情況。然而，電容電流反饋的響應(yīng)速度較慢，可能導(dǎo)致系統(tǒng)在面對快速負載變化時性能稍顯不足，并在快速動態(tài)響應(yīng)性能方面不如電感電流反饋。

電壓外環(huán)的核心功能包括穩(wěn)定輸出電壓、抑制電壓波動以及適應(yīng)負載變化等方面，通過對輸出電壓的反饋控制恒流源的開關(guān)狀態(tài)，以保持輸出電壓穩(wěn)定在預(yù)期值。選擇輸出電壓作為反饋變量的原因在于：通過控制輸出電壓，恒流源能夠靈活適應(yīng)不同電力系統(tǒng)的工作需求，提高系統(tǒng)的互操作性[13]，并確保連接設(shè)備得到穩(wěn)定的電源供應(yīng)，避免因電壓波動而影響設(shè)備的穩(wěn)定性和性能。同時，選擇輸出電壓進行控制有助于提高電源的輸出質(zhì)量，減小諧波和電壓波動，提高系統(tǒng)的輸出電源質(zhì)量。

為了改善恒流源擾動抑制能力較差、動態(tài)性能弱的問題，電流內(nèi)環(huán)采用負載電流前饋和電感電流反饋相結(jié)合的控制策略，電壓外環(huán)采用輸出電壓作為反饋變量，以提高負載變化時系統(tǒng)的魯棒性，控制框圖如圖3所示。

如圖3所示，GEPI（s）為外環(huán)電壓控制器，GIPI（s）為內(nèi)環(huán)電流控制器，電感L和電容C組成濾波電路，r為濾波電感的等效電阻。首先給定外部的參考電壓值Uref，通過將參考電壓值與輸出電壓值UO作差，得到誤差信號。該誤差信號經(jīng)過外環(huán)的PI控制器，把電壓誤差信號轉(zhuǎn)換為內(nèi)環(huán)控制器的電流給定信號，給定信號通過與負載電流IO和電感電流IL作差，形成內(nèi)環(huán)誤差信號。誤差信號通過內(nèi)環(huán)PI控制器和恒流源等效比例增益環(huán)節(jié)KPWM計算，形成載波控制量。將載波控制量與三角載波進行比較，產(chǎn)生SPWM開關(guān)信號，用以控制IGBT開關(guān)。

2.2" 基于極點配置的控制器參數(shù)整定

由圖3可知，將負載電流iR視為外部擾動時，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

[UOs=GEPIsGIPIsKPWMUrefs-Ls+rIOsLCs2+[GIPIsKPWM+r]Cs+GEPIsGIPIsKPWM+1] （8）

式中，電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)均采用PI控制器，兩者的傳遞函數(shù)為：

[GEPI（s）=K1P+K1Is] （9）

[GIPI（s）=K2P+K2Is] （10）

聯(lián)立式（8）～式（10）可得閉環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程，即閉環(huán)傳遞函數(shù)的分母：

[D（s）=D4s4+D3s3+D2s2+D1s+D0] （11）

式中：

[D4=LCD3=（K2PKPWM+r）CD2=K2IKPWMC+K1PK2PKPWM+1D1=K1PK2IKPWM+K2PK1IKPWMD0=K1IK2IKPWM] （12）

閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能是評價系統(tǒng)響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和魯棒性等方面的重要指標。在自動控制原理中，閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能主要由閉環(huán)極點的位置決定。閉環(huán)主導(dǎo)極點是指影響系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的主要極點，通常是最接近原點的極點，其決定了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性；閉環(huán)非主導(dǎo)極點是除了主導(dǎo)極點以外的其他極點，其對系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能影響較小。

具體而言，閉環(huán)主導(dǎo)極點的位置決定了系統(tǒng)的自然頻率和阻尼比，自然頻率決定系統(tǒng)的振蕩頻率，而阻尼比則決定系統(tǒng)的振蕩衰減速度。一般來說，主導(dǎo)極點越靠近原點，系統(tǒng)的自然頻率越高，響應(yīng)速度越快，但同時可能帶來更多的振蕩。閉環(huán)非主導(dǎo)極點的位置通常位于主導(dǎo)極點以外，對系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)影響較小，但也會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性產(chǎn)生一定影響。在實際控制系統(tǒng)設(shè)計中，通常通過合理選擇閉環(huán)主導(dǎo)極點的位置和設(shè)計合適的控制器參數(shù)來優(yōu)化系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能，確保系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性。

對于高階系統(tǒng)而言，其動態(tài)特性主要由閉環(huán)主導(dǎo)極點決定[14]。若能夠根據(jù)系統(tǒng)所需的動態(tài)性能指標確定期望的閉環(huán)系統(tǒng)主導(dǎo)極點[s1，2=-ξω±jω1-ξ2]在s域中的位置，那么閉環(huán)非主導(dǎo)極點可以選擇遠離主導(dǎo)極點的位置，即[s3=-nξω]和[s4=-mξω]。其中[ξ]和[ω]分別代表期望的阻尼比和自然振蕩頻率；m和n是正整數(shù)，m和n的取值越大，閉環(huán)系統(tǒng)越接近二階系統(tǒng)，其動態(tài)性能越由主導(dǎo)極點決定。m和n通常工程上取5～10，從而得到滿足動態(tài)性能指標的期望閉環(huán)系統(tǒng)特征方程[15]：

[Dr（s）=（s2+2ξωs+ω2）（s+mξω）（s+nξω）=s4+A3s3+A2s2+A1s+A0] （13）

式中：

[A3=（m+n+2）ξωA2=[1+（2m+2n+mn）ξ2]ω2A1=（m+n+2mnξ2）ξω3A0=mnξ2ω4] （14）

通過比較式（11）～式（14）可得：

[A3=K2PKPWM+rLA2=K2IKPWMC+K1PK2PKPWM+1LCA1=K1PK2IKPWM+K2PK1IKPWMLCA0=K1IK2IKPWMLC] （15）

設(shè)定開關(guān)頻率fs=19.2 kHz，根據(jù)開關(guān)頻率和電路各類參數(shù)可計算出濾波電感L=2 mH，濾波電容C=9.4 μF。根據(jù)自動控制原理[16]，其他閉環(huán)零極點的實部大于主導(dǎo)極點的6倍以上被視為非主導(dǎo)極點，它們對閉環(huán)控制系統(tǒng)的影響可以忽略，即m和n的最小值為6。對于阻尼比，若取值過大，則系統(tǒng)動態(tài)性能差、調(diào)節(jié)時間長，故工程上往往取0.5lt;[ξ]lt;1。通常為兼顧系統(tǒng)的阻尼效果和動態(tài)性能，一般取0.6lt;[ξ]lt;0.8，本文設(shè)計選取最佳阻尼比[ξ]=0.707，自然振蕩頻率[ω]=3 500，根據(jù)非主導(dǎo)極點的定義，選取m=9，n=8，KPWM=110，r=0.1 Ω。

化簡式（15）得：

[K1P=A2LC-K2IKPWMC-1K2PKPWMK2P=A3L-rKPWMK1I=A1LC-K1PK2IKPWMK2PKPWMK2I=A0LCK1IKPWM] （16）

代入上述電路參數(shù)可得式（16）控制器參數(shù)為K1P=0.053 1，K1I=145.386，K2P=0.854，K2I=6348。

2.3" 控制系統(tǒng)頻域特性分析

根據(jù)圖3雙環(huán)控制框圖，可以推導(dǎo)出電感電流內(nèi)環(huán)的開環(huán)和閉環(huán)的傳遞函數(shù)為：

[GIOLs=CKPWMK2Ps+K2ILCs2+rCs+1] （17）

[GICLs=K2Ps+K2ICKPWMLCs2+rC+CK2PKPWMs+CK2IKPWM+1] （18）

由電流內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)可以推導(dǎo)出電壓外環(huán)的傳遞函數(shù)如下：

[GEOPs=1LCs4+rC+CK2PKPWMs3+s2·[K1PK2PKPWMs2+KPWM（K1PK2I+K2PK1I）s+KPWMK1IK2I]] （19）

對總體控制系統(tǒng)建模后，通過添加極點配置法計算出的控制器參數(shù)，可以得到系統(tǒng)開環(huán)和閉環(huán)的幅頻特性曲線，如圖4和圖5所示。

根據(jù)圖4可知，電流內(nèi)環(huán)的相位裕度達到了81.365°，這反映了系統(tǒng)在頻域上的穩(wěn)定性較高，表明系統(tǒng)對于外部擾動和參數(shù)變化具有很強的抵抗能力，能夠保持良好的穩(wěn)定性，有助于防止系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩或不穩(wěn)定的現(xiàn)象。如圖5所示，電流內(nèi)環(huán)的帶寬較寬，達到11.233 Hz，同時系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，這意味著系統(tǒng)對于輸入信號的變化能夠迅速做出響應(yīng)，并且能夠在頻域上覆蓋更廣泛的頻率范圍。綜合來說，電流內(nèi)環(huán)的相位裕度和帶寬以及快速的響應(yīng)速度為系統(tǒng)提供了良好的頻域特性，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能，表明控制器的設(shè)計基本符合預(yù)期。

3" 仿真結(jié)果

根據(jù)前文對于控制系統(tǒng)的建模和參數(shù)整定，本次實驗采用Matlab/Simulink仿真軟件搭建仿真實驗?zāi)Ｐ?，設(shè)定頻率為128 Hz，輸出電流有效值為7 A的條件下，采用單極性倍頻調(diào)制的方法，分別使用PI單閉環(huán)和PI雙閉環(huán)控制算法對阻性負載和阻容性負載進行實驗。同時為了增強系統(tǒng)對于外部擾動的魯棒性，對PI雙閉環(huán)算法的電流內(nèi)環(huán)增加負載電流前饋，具體參數(shù)如下：直流母線電壓UDC=110 V，開關(guān)頻率fs=19.2 kHz，額定頻率為128 Hz，濾波電感L=2 mH，電感等效內(nèi)阻r=0.1 Ω，濾波電容C=9.4 μF，控制器參數(shù)K1P=0.053 1，K1I=145.386，K2P=0.854，K2I=6 348。

3.1" 阻性負載測試結(jié)果

仿真總時長設(shè)定為0.5 s，系統(tǒng)帶5 Ω阻性負載進行仿真，仿真結(jié)果如圖6～圖8所示。由圖6可知，系統(tǒng)使用兩種不同控制算法帶阻性負載輸出的電壓波形表現(xiàn)出良好的正弦性，輸出電壓峰值穩(wěn)定50 V左右，頻率為128 Hz，在PI雙閉環(huán)控制算法下總諧波失真率為2.26%，滿足諧波含量標準。

圖7和圖8中虛線代表參考電流，實線代表輸出電流。由圖7可以看出，使用PI單閉環(huán)控制算法時，輸出電流和參考電流存在一定的相位差，并在電流峰值處未能跟隨參考電流，存在0.5 V左右的誤差。如圖8所示，使用PI雙閉環(huán)控制算法時，輸出電流能夠較好地跟蹤參考電流，穩(wěn)態(tài)誤差小，滿足總體設(shè)計要求。

3.2" 阻容性負載測試結(jié)果

仿真總時長設(shè)定為0.5 s，系統(tǒng)帶阻容性負載進行仿真，仿真結(jié)果如圖9～圖11所示。如圖9所示，使用PI單閉環(huán)控制算法在電壓峰值處會出現(xiàn)周期性畸變，而使用PI雙閉環(huán)控制算法，電壓波形在畸變處較為平滑，輸出波形表現(xiàn)出較好的正弦性，輸出電壓幅值穩(wěn)定在65 V，頻率為128 Hz，總諧波失真率為3.19%。

如圖10所示，使用PI單閉環(huán)控制算法時，電感電流在波谷處與給定電流幅值存在1.2 A偏差，同時由于IGBT開關(guān)管的非線性特性，在波形過零點處呈現(xiàn)周期性波形畸變。而采用PI雙閉環(huán)控制算法時，如圖11所示，電感電流在波谷處能夠較好地跟蹤參考電流，同時過零點處的波形較為平滑，畸變減小，波形表現(xiàn)出較好的正弦性。

3.3" 仿真結(jié)果總體分析

仿真結(jié)果表明，采用電壓電流雙閉環(huán)PI控制和負載電流前饋的控制策略，能夠有效地將電流和電壓的動態(tài)特性結(jié)合起來，使得系統(tǒng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。通過對電流和電壓進行雙重反饋控制，可以實現(xiàn)對輸出波形的精確調(diào)節(jié)，從而提高恒流源的輸出質(zhì)量和穩(wěn)定性。其次，負載電流前饋在面對阻容性負載時能夠提升系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性。這種預(yù)先補償?shù)姆绞接兄谙到y(tǒng)更加準確地控制輸出電流，降低了阻容性負載對系統(tǒng)的干擾，提高了系統(tǒng)對負載變化的適應(yīng)能力和穩(wěn)定性。

4" 實驗驗證

為了驗證上述交流恒流源控制策略的可行性，在實驗室環(huán)境下利用實驗室器材模擬現(xiàn)場環(huán)境，搭建實驗平臺。在理想環(huán)境下，管道與大地可以等效為電阻和電容的串聯(lián)，因此在實驗中分別使用阻性和阻容性負載模擬管道負載，輸出電流頻率為128 Hz，設(shè)定輸出電流有效值為7 A。實驗平臺包括交流恒流源系統(tǒng)、示波器、電流鉗、負載電阻與負載電容等，實驗參數(shù)如表1所示。

在實驗測試中，電壓探頭設(shè)置為1∶500，由于負載是5 Ω，1 A對應(yīng)的電壓值為0.01 V，在示波器中設(shè)置放大100倍，即1 A對應(yīng)示波器顯示的電壓1 V。電流鉗設(shè)置為10 mV/A，在示波器中設(shè)置比例為1∶1。

圖12和圖13展示的是系統(tǒng)分別帶阻性負載和阻容性負載時輸出電流和輸出電壓的波形，UO波形代表輸出電壓，iR波形代表輸出電流。從圖12和圖13中可以看出，輸出電壓波形穩(wěn)定，峰值分別穩(wěn)定在9.8 V和10 V，輸出電流有效值均在6.8 A左右，波峰和波谷之間沒有明顯的波動，過零點處波形較為平滑，形狀接近理想的正弦波形，符合設(shè)計需求。輸出波形的頻率準確，穩(wěn)定在128 Hz，并且在不同負載條件下頻率保持穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)頻率漂移或波動。

5" 結(jié)" 論

本文基于交流恒流源的數(shù)學模型，采用瞬時電壓外環(huán)和電感電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)PI控制，結(jié)合負載電流擾動前饋補償，對交流恒流源的雙環(huán)控制進行改進策略的參數(shù)設(shè)計和系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。通過Matlab/Simulink對恒流源控制模型進行仿真分析，結(jié)果表明，改進后的雙環(huán)控制策略在阻容性負載條件下輸出電壓波形良好，滿足了諧波畸變率和電壓幅值的要求。采用極點配置的方式對PI控制器的參數(shù)整定簡單快捷，極大地減少了試湊法所需的時間，提高了整定的準確性。此外，帶負載電流前饋的雙環(huán)PI控制方式有效減少了電壓諧波分量，具有良好的動態(tài)性能和魯棒性，同時可以充分利用PI雙環(huán)控制的動態(tài)響應(yīng)能力的高精度優(yōu)點，達到良好的控制效果。

注：本文通訊作者為任旭虎。

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作者簡介：吳鵬宇（2000—），男，山東東營人，在讀碩士研究生，主要研究方向為埋地管道無損檢測。

任旭虎（1973—），男，山西運城人，碩士研究生，副教授，主要研究方向為智能測控技術(shù)、智能信息處理。

DOI：10.16652/j.issn.1004?373x.2024.20.011

引用格式：吳鵬宇，楊勇，任旭虎，等.管道電流測繪交流恒流源雙環(huán)控制策略研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2024，47（20）：65?71.

收稿日期：2024?04?30" " " " " "修回日期：2024?06?03

基金項目：穿越管道強電流探測設(shè)備（YKF2305）