CN110230062B - 一种基于专家库偏差修正的腐蚀自动跟踪监控系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于专家库偏差修正的腐蚀自动跟踪监控系统，它包括信息采集模块、中枢决策模块以及执行机构，中枢决策模块的输入端与信息采集模块的输出端连接，中枢决策模块的输出端与执行机构的输入端连接，信息采集模块用于对被保护金属构架进行监测并将监测信息传给中枢决策模块，中枢决策模块根据从信息采集模块上采集的监测数据控制执行机构的电流输出，从而使整体极化电位处于稳定范围。本发明的目的是为了提供一种能对电流阴极防护装置的保护参数进行跟踪，并对发生偏移的保护电流进行有效调整的基于专家库偏差修正的腐蚀自动跟踪监控系统。

Description

一种基于专家库偏差修正的腐蚀自动跟踪监控系统
技术领域
本发明属于金属腐蚀防护设备及方法领域，具体涉及一种基于专家库偏差修正的腐蚀自动跟踪监控技术。
背景技术
冶炼和腐蚀作为一对逆过程在自然环境的制约下，大多数情况并不可逆，而地球上金属资源有限，且面临腐蚀威胁，因此腐蚀防护显得尤为重要。全世界每年因金属腐蚀造成的损失占各国国民经济总产值的2％-5％，其中海洋环境中的金属结构腐蚀严重。
为了减少复杂环境对金属构架的腐蚀破坏，工程上通常采用外加电流阴极保护法(ICCP,Impressed current cathodic protection)的腐蚀防护方法对金属构架进行保护。在众多金属腐蚀防护方法中，ICCP在腐蚀防护效果以及环保方面优于其它方法。与防腐涂层、合金材料、镀锌保护以及牺牲阳极保护不同，ICCP防腐技术的优势在于可控可调。通过阴阳极与电解质形成回路，由外加电源供电，对金属构架进行阴极极化，达到防护的目的。另外，ICCP还能通过利用外加电源幅频可控的特性，对金属防腐技术进行更加全面深入的研究。
ICCP服役周期长、防护效果好，尤其大规模的腐蚀防护工程，其保护效果和工程概算均优于其它防护方法。但随着服役年限的延长、埋设环境的变化，保护电流的有效范围发生偏移，导致管道处于欠保护状态，管道腐蚀的程度加深。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种能对电流阴极防护装置的保护参数进行跟踪，并对发生偏移的保护电流进行有效调整的基于专家库偏差修正的腐蚀自动跟踪监控系统。
一种基于专家库偏差修正的腐蚀自动跟踪监控系统，它包括信息采集模块、中枢决策模块以及执行机构，中枢决策模块的输入端与信息采集模块的输出端连接，中枢决策模块的输出端与执行机构的输入端连接，信息采集模块用于对被保护金属构架进行监测并将监测信息传给中枢决策模块，中枢决策模块根据从信息采集模块上采集的监测数据控制执行机构的电流输出，从而使整体极化电位处于稳定范围。
上述中枢决策模块包括PD控制器、专家库以及偏差修正模块，信息采集模块输出的监测信号分别与PD控制器的第一输入端、专家库的输入端连接，专家库的输出端与偏差修正模块的输入端连接，偏差修正模块的输出端与PD控制器的第二输入端连接。
上述信息采集模块包括光纤光栅传感器。
上述执行机构包括外加电流阴极防护装置。
一种用上述系统的控制方法，中枢决策模块输出的控制命令控制执行机构的动作从而引起金属的腐蚀变化，信息采集模块感知该变化后作为中枢决策模块的输入，从而调节中枢决策模块的输出，从而抑制金属的腐蚀程度。
上述方法包括以下步骤：
1)中枢决策模块将控制目标设定为输入输出对理想腐蚀曲线逼近程度的最大化；
2)信息采集模块感测金属腐蚀状态，光波长随光栅的应变偏移，携带腐蚀信号的光波被传感器的尾端光电转换器的捕捉，转换成电信号，进而完成被保护金属腐蚀状态的量化，中枢决策模块拟定初始腐蚀状态为设定值，以该值为参考，对系统输入进行误差计算，以及后续的PD控制器参数整定；
3)专家库以被保护结构的阴极极化曲线为依据，将当前腐蚀电位与最佳极化电流的相关知识传递给中枢决策模块，中枢决策模块根据腐蚀偏差和专家库知识进行控制参数修正，并下发控制指令给执行机构，形成闭环控制。
在步骤1)中，控制目标为：
Figure BDA0002103382040000021
式中，Fio(ia,cm)、f(uops,ia,cm)-控制系统输入输出关系函数；Spc(ia,cm)、s(usce,ia,cm)-金属结构物特定场景下测定的极化曲线关系；ia,cm-系统的控制参量或曲线横轴自变量；uops-光纤光栅传感器的信号与电位信息的转换关系；usce-极化曲线纵轴因变量或控制系统的反馈参量；
在步骤2)中，在进行误差计算时，误差计算公式如下：
e(t)＝M(t)-yset(ΔT) (2)
式中，e(t)-t时刻的目标偏差输入；M(t)-t时刻的测量值；yset(ΔT)-设定目标值；△T-设定目标值的更新周期；
在步骤3)中，所形成的闭环控制系统的传递函数为：
Figure BDA0002103382040000031
式中，C(S)-输出信号；E(S)-偏差信号；G(S)-前向通路传函；H(S)-回路传函；kp-比例系数；kd-微分系数；M(S)-测量传函；Yset(S)-目标传函；
其中，输出函数和测量函数的关系如下：
Figure BDA0002103382040000032
式中，M-测量反馈向量；C-设定目标向量；
Figure BDA0002103382040000033
-金属结构的极化电位；δi-电源的极化电流密度，
Figure BDA0002103382040000034
与δi在极化曲线中呈一一对应关系，两者的映射规律为回路传函H(S)。
上述偏差修正模块的纠正规则基于定值反馈控制系统中的回路传函，回路传涵在连续域表现为极化函数的
Figure BDA0002103382040000035
对应关系：
Figure BDA0002103382040000036
ICCP腐蚀测试的极化曲线对应关系函数按Taylor's formula进行展开，展开式包含极化电位的偏差估计：
Figure BDA0002103382040000037
式中，g1(i)-极化关系函数的一阶偏导；g2(i)-极化关系函数的一阶偏导；
Figure BDA0002103382040000038
-第i次极化电流控制输出。
偏差优化控制目标简化为：
Figure BDA0002103382040000039
偏差修正专家系统的优化控制规则逼近零，则偏差修正补偿公式将满足下式：
Figure BDA00021033820400000310
根据式(8)对来自自变量极化电流密度的未定系统误差采用偏差修正策略：
Figure BDA00021033820400000311
为提高偏差控制的稳定性，采用Newton－Leibniz formula对极化关系进行鲁棒性增强：
Spc(ia,cm)i＝∑γ(ia,cm)2＝γT(ia,cm)γ(ia,cm) (10)
对式(10)进行二次偏差求导：
Figure BDA0002103382040000041
Figure BDA0002103382040000042
结合式(6)(8)(11)(12)可得专家库偏差修正控制律：
Figure BDA0002103382040000043
上述偏差修正模块以信息采集模块监测的腐蚀信号及上一次决策电流为输入，对PD控制器的误差输入进行修正，中枢决策模块综合信息采集模块与偏差修正模块的数据，更新电位仪的输出-极化电流密度，完成自动控制过程。
采用上述技术方案，能带来以下技术效果：
信息采集模块通过数据传输网络将经过可靠性验证的金属腐蚀信息上传到中枢决策模块，中枢决策模块接收信息并分享至专家库以及PD控制器，专家库根据偏差优化控制规则编制偏差修正参数，PD控制器结合专家库偏差修正参数和光纤光栅传感器准入信息，生成控制命令发送到执行机构，执行机构根据决策信息调整极化电流密度输出，完成腐蚀防护系统自动跟踪控制，有效减缓腐蚀的发生，提高工程的经济效益。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1是本发明的结构框图；
图2是本发明中外加电流阴极防护装置的结构示意图；
图3是本发明偏差修正模块中定值反馈控制系统结构图；
图4是本发明中信息可靠性验证流程图；
图5为本发明中RTU转无线通讯模式图。
具体实施方式
如图1所示一种基于专家库偏差修正的腐蚀自动跟踪监控系统，它包括信息采集模块1、中枢决策模块2以及执行机构3，中枢决策模块2的输入端与信息采集模块1的输出端连接，中枢决策模块2的输出端与执行机构3的输入端连接，信息采集模块1用于对被保护金属构架进行监测并将监测信息传给中枢决策模块2，中枢决策模块2根据从信息采集模块1上采集的监测数据控制执行机构3的电流输出，从而使整体极化电位处于稳定范围。
进一步的，中枢决策模块2包括闭环控制器4、专家库5以及偏差修正模块6，信息采集模块1输出的监测信号分别与PD控制器4的第一输入端、专家库5的输入端连接，专家库5的输出端与偏差修正模块6的输入端连接，偏差修正模块6的输出端与PD控制器4的第二输入端连接。
优选的，信息采集模块1包括光纤光栅传感器7。
如图2所示，优选的，执行机构3包括外加电流阴极防护装置8。
一种用所述系统进行控制的方法，所述中枢决策模块2输出的控制命令控制执行机构3的动作从而引起金属的腐蚀变化，信息采集模块1感知该变化后作为中枢决策模块2的输入，从而调节中枢决策模块2的输出，从而抑制金属的腐蚀程度。
具体的，该方法包括以下步骤：
1)中枢决策模块2将控制目标设定为输入输出对理想腐蚀曲线逼近程度的最大化；
2)信息采集模块1感测金属腐蚀状态，光波长随光栅的应变偏移，携带腐蚀信号的光波被传感器的尾端光电转换器的捕捉，转换成电信号，进而完成被保护金属腐蚀状态的量化，中枢决策模块2拟定初始腐蚀状态为设定值，以该值为参考，对系统输入进行误差计算，以及后续的PD控制器4参数整定；
3)因为传统PID控制的积分环节是通过偏差正负抵消来消除系统静差，而金属腐蚀的偏差是大于0的，因此对于本发明提出的腐蚀偏差模型积分环节必然失效，所以本发明中专家库5以被保护结构的阴极极化曲线为依据，将当前腐蚀电位与最佳极化电流的相关知识传递给PD控制器4，PD控制器4根据腐蚀偏差和专家库5知识进行控制参数修正，并下发控制指令给执行机构3，形成闭环控制。
在步骤1)中，控制目标为：
Figure BDA0002103382040000051
式中，Fio(ia,cm)、f(uops,ia,cm)-控制系统输入输出关系函数；Spc(ia,cm)、s(usce,ia,cm)-金属结构物特定场景下测定的极化曲线关系；ia,cm-系统的控制参量或曲线横轴自变量；uops-光纤光栅传感器的信号与电位信息的转换关系；usce-极化曲线纵轴因变量或控制系统的反馈参量；
在步骤2)中，在进行误差计算时，误差计算公式如下：
e(t)＝M(t)-yset(ΔT) (2)
式中，e(t)-t时刻的目标偏差输入；M(t)-t时刻的测量值；yset(ΔT)-设定目标值；△T-设定目标值的更新周期；
在步骤3)中，所形成的闭环控制系统的传递函数为：
Figure BDA0002103382040000061
式中，C(S)-输出信号；E(S)-偏差信号；G(S)-前向通路传函；H(S)-回路传函；kp-比例系数；kd-微分系数；M(S)-测量传函；Yset(S)-目标传函；
其中，输出函数和测量函数的关系如下：
Figure BDA0002103382040000062
式中，M-测量反馈向量；C-设定目标向量；
Figure BDA0002103382040000063
-金属结构的极化电位；δi-电源的极化电流密度，
Figure BDA0002103382040000064
与δi在极化曲线中呈一一对应关系，两者的映射规律为回路传函H(S)。
如图3所示，偏差修正模块6的纠正规则基于定值反馈控制系统中的回路传函，回路传涵在连续域表现为极化函数的
Figure BDA0002103382040000065
对应关系：
Figure BDA0002103382040000066
ICCP腐蚀测试的极化曲线对应关系函数按Taylor's formula进行展开，展开式包含极化电位的偏差估计：
Figure BDA0002103382040000067
式中，g1(i)-极化关系函数的一阶偏导；g2(i)-极化关系函数的一阶偏导；
Figure BDA0002103382040000071
-第i次极化电流控制输出。
偏差优化控制目标简化为：
Figure BDA0002103382040000072
偏差修正专家系统的优化控制规则逼近零，则偏差修正补偿公式将满足下式：
Figure BDA0002103382040000073
根据式(8)对来自自变量极化电流密度的未定系统误差采用偏差修正策略：
Figure BDA0002103382040000074
为提高偏差控制的稳定性，采用Newton－Leibniz formula对极化关系进行鲁棒性增强：
Spc(ia,cm)i＝∑γ(ia,cm)2＝γT(ia,cm)γ(ia,cm) (10)
对式(10)进行二次偏差求导：
Figure BDA0002103382040000075
Figure BDA0002103382040000076
结合式(6)(8)(11)(12)可得专家库偏差修正控制律：
Figure BDA0002103382040000077
偏差修正模块6以信息采集模块1监测的腐蚀信号及上一次决策电流为输入，对PD控制器4的误差输入进行修正，PD控制器4综合信息采集模块1与偏差修正模块6的数据，更新电位仪的输出-极化电流密度，完成自动控制过程。
本发明还包括数据传输网络，它与中枢决策模块2、光纤光栅传感器、执行机构之间的信息交互遵循Modbus RTU协议，光纤光栅传感器的信息准入流程参见图4，中枢决策模块与通信网络之间进行双向信息传输，中枢决策模块与光纤光栅传感器以RTU转无线通讯方式(通讯结构参见图5)联通，决策中心与执行机构以RTU转无线通讯方式或有线通讯方式联通(方式选择由工程实际决定)。
在参数的确定上，采用以下步骤：
1)目标设定值以上一次光纤光栅传感器检测信号为参考；
2)根据特定工况下测定的外加电流极化曲线确定PD控制器微分系数、比例系数；
3)考虑RTU转无线通讯方式中无线传输分包量可能产生的断帧现象，拟采用分包量大的无线电台或不分包的无线电台；
4)考虑工程实际中的金属腐蚀过程较长，恒电位仪与中枢决策模块信息流通的时延偏差以及光纤光栅传感器与数据传输网络信息流通的时延偏差对中枢决策模块以及执行机构的输出控制效果影响极小，因此未将毫秒级的时延偏差计入系统范畴。

Claims (4)

1.一种基于专家库偏差修正的腐蚀自动跟踪监控系统，其特征在于：它包括信息采集模块(1)、中枢决策模块(2)以及执行机构(3)，中枢决策模块(2)的输入端与信息采集模块(1)的输出端连接，中枢决策模块(2)的输出端与执行机构(3)的输入端连接，信息采集模块(1)用于对被保护金属构架进行监测并将监测信息传给中枢决策模块(2)，中枢决策模块(2)根据从信息采集模块(1)上采集的监测数据控制执行机构(3)的电流输出，从而使整体极化电位处于稳定范围；
中枢决策模块(2)输出的控制命令控制执行机构(3)的动作从而引起金属的腐蚀变化，信息采集模块(1)感知该变化后作为中枢决策模块(2)的输入，从而调节中枢决策模块(2)的输出，从而抑制金属的腐蚀程度；
所述系统在使用时，采用以下步骤：
1)中枢决策模块(2)将控制目标设定为输入输出对理想腐蚀曲线逼近程度的最大化；
2)信息采集模块(1)感测金属腐蚀状态，光波长随光栅的应变偏移，携带腐蚀信号的光波被传感器的尾端光电转换器的捕捉，转换成电信号，进而完成被保护金属腐蚀状态的量化，中枢决策模块(2)拟定初始腐蚀状态为设定值，以该值为参考，对系统输入进行误差计算，以及后续的PD控制器(4)参数整定；
3)专家库(5)以被保护结构的阴极极化曲线为依据，将当前腐蚀电位与最佳极化电流的相关知识传递给PD控制器(4)，PD控制器(4)根据腐蚀偏差和专家库(5)知识进行控制参数修正，并下发控制指令给执行机构(3)，形成闭环控制；
在步骤1)中，控制目标为：
Figure FDA0002886252760000011
式中，Fio(ia,cm)、f(uops,ia,cm)为控制系统输入输出关系函数；Spc(ia,cm)、s(usce,ia,cm)为金属结构物特定场景下测定的极化曲线关系；ia,cm为系统的控制参量或曲线横轴自变量；uops为光纤光栅传感器的信号与电位信息的转换关系；usce为极化曲线纵轴因变量或控制系统的反馈参量；
在步骤2)中，在进行误差计算时，误差计算公式如下：
e(t)＝M(t)-yset(ΔT) (2)
式中，e(t)为t时刻的目标偏差输入；M(t)为t时刻的测量值；yset(ΔT)为设定目标值；ΔT为设定目标值的更新周期；
在步骤3)中，所形成的闭环控制系统的传递函数为：
Figure FDA0002886252760000021
式中，C(S)为输出信号；E(S)为偏差信号；G(S)为前向通路传函；H(S)为回路传函；kp为比例系数；kd为微分系数；M(S)为测量传函；Yset(S)为目标传函；
其中，输出函数和测量函数的关系如下：
Figure FDA0002886252760000022
式中，M为测量反馈向量；C为设定目标向量；
Figure FDA0002886252760000023
为金属结构的极化电位；δi为电源的极化电流密度，
Figure FDA0002886252760000024
与δi在极化曲线中呈一一对应关系，两者的映射规律为回路传函H(S)。
2.根据权利要求1所述的基于专家库偏差修正的腐蚀自动跟踪监控系统，其特征在于：所述中枢决策模块(2)包括PD控制器(4)、专家库(5)以及偏差修正模块(6)，信息采集模块(1)输出的监测信号分别与PD控制器(4)的第一输入端、专家库(5)的输入端连接，专家库(5)的输出端与偏差修正模块(6)的输入端连接，偏差修正模块(6)的输出端与PD控制器(4)的第二输入端连接。
3.根据权利要求2所述的基于专家库偏差修正的腐蚀自动跟踪监控系统，其特征在于：所述信息采集模块(1)包括光纤光栅传感器(7)。
4.根据权利要求2所述的基于专家库偏差修正的腐蚀自动跟踪监控系统，其特征在于：所述执行机构(3)包括外加电流阴极防护装置(8)。
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