CN113741169A - 一种恒电位仪的控制方法和系统 - Google Patents
一种恒电位仪的控制方法和系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113741169A CN113741169A CN202110814917.5A CN202110814917A CN113741169A CN 113741169 A CN113741169 A CN 113741169A CN 202110814917 A CN202110814917 A CN 202110814917A CN 113741169 A CN113741169 A CN 113741169A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- fuzzy
- variable
- potentiostat
- linguistic
- output
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 30
- 238000013139 quantization Methods 0.000 claims description 14
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 12
- 238000013507 mapping Methods 0.000 claims description 6
- 238000005352 clarification Methods 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 238000004210 cathodic protection Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B11/00—Automatic controllers
- G05B11/01—Automatic controllers electric
- G05B11/36—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential
- G05B11/42—Automatic controllers electric with provision for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral, differential for obtaining a characteristic which is both proportional and time-dependent, e.g. P. I., P. I. D.
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Feedback Control In General (AREA)
Abstract
本发明公开了一种恒电位仪的控制方法和系统，涉及埋地管道电位平衡的控制技术。针对现有技术中PID控制效果不理想的问题提出本方案，通过将输入变量模糊表示，评估比较偏差、比较偏差的变化率，实时修正输出量。其优点在于，采用模糊PID算法对恒电位仪系统进行了控制，与固定的PID控制相比，模糊PID控制使得系统抵抗外部干扰的鲁棒性明显提高。
Description
技术领域
本发明涉及埋地管道点位平衡的控制技术，尤其涉及一种恒电位仪的控制方法和系统。
背景技术
为了保证受保护的埋地管道处于点位平衡的状态，行业内通常采用了PID算法 控制输出电压。其具体过程如图1所示，即仅仅根据比较偏差一个输入利用PID算 法调节恒电位仪电源模块的输出电压。这种方法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。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。
发明内容
本发明目的在于提供一种恒电位仪的控制方法和系统，以解决上述现有技术存在的问题。
本发明所述恒电位仪的控制方法，包括以下步骤：
获取被保护埋地管道的汇流点电信号和参比电极电信号，并分别转换成输入量 e(k)和输入量ec(k)；
利用尺度量化因子Ke将输入量e(k)映射到模糊论域上，并用模糊语言变量E表示；
利用尺度量化因子Kec将输入量ec(k)映射到相同的模糊论域上，并用模糊语言变量EC表示；
利用语言表达值将模糊语言变量E和模糊语言变量EC量化为7个量化等级；
将输出量ΔKp用语言变量KP表示，输出量ΔKi用语言变量KI表示，输出量ΔKd用语言变量KD表示，使用相同的7个量化等级；
以正态分布作为语言变量模糊子集的隶属度函数u(x)，且
其中a为正态分布的均值；隶属度函数u(x)用于分别约束模糊语言变量E、模糊语言 变量EC、语言变量KP、语言变量KI以及语言变量KD；
根据糊语言变量E和模糊语言变量EC，利用预设的模糊控制规则表进行模糊推理，得到语言变量KP、语言变量KI以及语言变量KD；
将语言变量KP、语言变量KI以及语言变量KD分别进行清晰化操作，得到输出 量ΔKp、输出量ΔKi和输出量ΔKd；
修正实际的输出量Kp、输出量Ki和输出量Kd以控制输出电压。
所述7个量化等级为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，且从NB至PB依次递增。
所述预设的模糊控制规则表包括：
语言变量KP的分表：
语言变量KI的分表：
以及，语言变量KD的分表：
所述隶属度函数u(x)的均值a的限制在-6至6。所述均值a在0点两侧对称分布 以划分模糊子集。
所述隶属度函数u(x)的定义域以及均值a的取值为：
| 模糊子集 | a | 定义域 |
| PB | a＝6 | 3≤x≤6 |
| PM | a＝3 | 1≤x≤6 |
| PS | a＝2 | 0≤x≤4 |
| Z0 | a＝0 | -2≤x≤2 |
| NS | a＝-2 | -4≤x≤0 |
| NM | a＝-3 | -6≤x≤-1 |
| NB | a＝-6 | -6≤x≤-3 |
本发明所述一种恒电位仪的控制系统，至少包括：
电源模块，用于接收A/D模块的模拟量以控制电压输出；
A/D模块，用于将控制模块的数字量转换为模拟量输出至所述电源模块；
D/A模块，用于获取被保护埋地管道的模拟量并转换为数字量输入至控制模块；
以及，控制模块，其特征在于，应用权利要求1-4任一所述的控制方法修正实际 的输出量。
本发明所述恒电位仪的控制方法和系统，其优点在于，采用模糊PID算法对恒 电位仪系统进行了控制。与固定的PID控制相比，模糊PID控制使得系统抵抗外部 干扰的鲁棒性明显提高。
附图说明
图1是现有技术中恒电位仪的控制方法流程示意图。
图2是本发明所述恒电位仪的控制方法流程示意图。
图3是本发明所述恒电位仪的控制系统的结构示意图。
图4是本发明所述7个量化等级的正态分布示意图。
图5是固定PID和模糊PID两种算法的效果对比图。
具体实施方式
本发明所述恒电位仪的控制系统的结构如图3所示，其工作原理及控制方法的流程如图2所示。
在硬件层面，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。A/D模块选用了华研ADAM－5017S模块(16位)。利 用此模块可将测量到的模拟量转化为数字量传递给控制模块，如恒电位仪的输出电压、 电流以及参比极电压。D/A模块选用了模数转换器ADAM5024。此模块可以将把控 制模块输出的控制信号转化为模拟量传递给电源模块。电源模块包括：整流滤波器， 用于把市电220V交流转为300V直流；DC/DC变换电路，用于接收来自D/A模块的 控制信号，控制高频开关电源的输出电压；稳压电路。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。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。
在软件层面，控制模块内置有模糊PID算法，模糊PID算法运行的时候控制各 硬件模块的协同运作，实现本发明所述的控制方法。
控制模块的输入量(e(k)、ec(k))是来自A/D模块的数字量，所以把输入量e(k) 和输入量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：
Ke和Kec的值为皆为65535/6＝10922.5。利用语言表达值把模糊语言变量E,EC 量化为7个量化等级：{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。控制模块的输出变量分别为 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：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}。
确定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：
其中a表示了正态分布u(x)的均值，a的取值以及各个模糊子域的区间分布如下表所示：
| 模糊子集 | a | 定义域 |
| PB | a＝6 | 3≤x≤6 |
| PM | a＝3 | 1≤x≤6 |
| PS | a＝2 | 0≤x≤4 |
| Z0 | a＝0 | -2≤x≤2 |
| NS | a＝-2 | -4≤x≤0 |
| NM | a＝-3 | -6≤x≤-1 |
| NB | a＝-6 | -6≤x≤-3 |
各个模糊子集对应的隶属度函数分布如图4所示。
输入变量E,EC和输出变量KP,KI,KD在各个模糊子域上的隶属度函数均符合 上述描述。
生成预设的模糊控制规则表。模糊控制规则表是表达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。
且，应符合以下生成原则：
当模糊语言变量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。
当模糊语言变量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；
当模糊语言变量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则与模糊语言变量EC密切相关，即当模糊语言 变量EC较大时为了减少系统的输出震荡要取较小的Kd,反之当模糊语言变量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的大小则应与模糊语 言变量EC呈相反趋势。
根据所述的三个原则模糊规则表如下表所示，二维表格可以是总表也可以用各语言变量的分表以表示：
语言变量KP的分表：
语言变量KI的分表：
以及，语言变量KD的分表：
然后，输入条件语句进行模糊推理。对应控制模块的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。本实施例采用工程中最常用的Mamdani法进行模糊推理。
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：
Kp＝K′p+ΔKp
Ki＝K′i+ΔKi
Kd＝K′d+ΔKd
式中K′p，K′i，K′d分别为Kp，Ki，Kd的初始值，实现了动态模糊调整输出量以控 制输出电压的快速变换。
利用本发明所述的的控制方法和控制系统，令恒电位仪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记录了使用同一套硬件、同一个管道点位的恒电位仪在使用不同控制方法(固定 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。 明显可见，使用经典的PID控制时，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，输出量一直比较平稳，超调量被控制在0.8％以下。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保 护范围之内。
Claims (10)
1.一种恒电位仪的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取被保护埋地管道的汇流点电信号和参比电极电信号，并分别转换成输入量e(k)和输入量ec(k)；
利用尺度量化因子Ke将输入量e(k)映射到模糊论域上，并用模糊语言变量E表示；
利用尺度量化因子Kec将输入量ec(k)映射到相同的模糊论域上，并用模糊语言变量EC表示；
利用语言表达值将模糊语言变量E和模糊语言变量EC量化为7个量化等级；
将输出量ΔKp用语言变量KP表示，输出量ΔKi用语言变量KI表示，输出量ΔKd用语言变量KD表示，使用相同的7个量化等级；
以正态分布作为语言变量模糊子集的隶属度函数u(x)，且
其中a为正态分布的均值；隶属度函数u(x)用于分别约束模糊语言变量E、模糊语言变量EC、语言变量KP、语言变量KI以及语言变量KD；
根据糊语言变量E和模糊语言变量EC，利用预设的模糊控制规则表进行模糊推理，得到语言变量KP、语言变量KI以及语言变量KD；
将语言变量KP、语言变量KI以及语言变量KD分别进行清晰化操作，得到输出量ΔKp、输出量ΔKi和输出量ΔKd；
修正实际的输出量Kp、输出量Ki和输出量Kd以控制输出电压。
2.根据权利要求1所述恒电位仪的控制方法，其特征在于，所述7个量化等级为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，且从NB至PB依次递增。
3.根据权利要求2所述恒电位仪的控制方法，其特征在于，所述预设的模糊控制规则表包括：
语言变量KP的分表；
语言变量KI的分表；
以及，语言变量KD的分表。
4.根据权利要求3所述恒电位仪的控制方法，其特征在于，所述语言变量KP的分表为：
5.根据权利要求3所述恒电位仪的控制方法，其特征在于，所述语言变量KI的分表为：
6.根据权利要求3所述恒电位仪的控制方法，其特征在于，所述语言变量KD的分表为：
7.根据权利要求2所述恒电位仪的控制方法，其特征在于，所述隶属度函数u(x)的均值a的限制在-6至6。
8.根据权利要求7所述恒电位仪的控制方法，其特征在于，所述均值a在0点两侧对称分布以划分模糊子集。
9.根据权利要求8所述恒电位仪的控制方法，其特征在于，所述隶属度函数u(x)的定义域以及均值a的取值为：
。
10.一种恒电位仪的控制系统，至少包括：
电源模块，用于接收A/D模块的模拟量以控制电压输出；
A/D模块，用于将控制模块的数字量转换为模拟量输出至所述电源模块；
D/A模块，用于获取被保护埋地管道的模拟量并转换为数字量输入至控制模块；
以及，控制模块，其特征在于，应用权利要求1-9任一所述的控制方法修正实际的输出量。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110814917.5A CN113741169A (zh) | 2021-07-19 | 2021-07-19 | 一种恒电位仪的控制方法和系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110814917.5A CN113741169A (zh) | 2021-07-19 | 2021-07-19 | 一种恒电位仪的控制方法和系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113741169A true CN113741169A (zh) | 2021-12-03 |
Family
ID=78728846
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110814917.5A Pending CN113741169A (zh) | 2021-07-19 | 2021-07-19 | 一种恒电位仪的控制方法和系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113741169A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115558934A (zh) * | 2022-07-12 | 2023-01-03 | 浙江浙能天然气运行有限公司 | 一种基于网络的恒电位仪模糊控制方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102281012A (zh) * | 2011-08-03 | 2011-12-14 | 苏州热工研究院有限公司 | 模糊双闭环控制的移相全桥软开关ipm型智能恒电位仪 |
| CN102426417A (zh) * | 2011-12-13 | 2012-04-25 | 中冶南方（武汉）自动化有限公司 | Pi参数混合整定法 |
| CN103309233A (zh) * | 2013-05-13 | 2013-09-18 | 陕西国防工业职业技术学院 | 一种模糊pid控制器的设计方法 |
| CN103671891A (zh) * | 2013-12-26 | 2014-03-26 | 广东工业大学 | 一种非接触式车用变速器及其调速控制算法 |
-
2021
- 2021-07-19 CN CN202110814917.5A patent/CN113741169A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102281012A (zh) * | 2011-08-03 | 2011-12-14 | 苏州热工研究院有限公司 | 模糊双闭环控制的移相全桥软开关ipm型智能恒电位仪 |
| CN102426417A (zh) * | 2011-12-13 | 2012-04-25 | 中冶南方（武汉）自动化有限公司 | Pi参数混合整定法 |
| CN103309233A (zh) * | 2013-05-13 | 2013-09-18 | 陕西国防工业职业技术学院 | 一种模糊pid控制器的设计方法 |
| CN103671891A (zh) * | 2013-12-26 | 2014-03-26 | 广东工业大学 | 一种非接触式车用变速器及其调速控制算法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 俞金寿 等: "天然气输送与城镇燃气", 北京：机械工业出版社, pages: 227 - 235 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115558934A (zh) * | 2022-07-12 | 2023-01-03 | 浙江浙能天然气运行有限公司 | 一种基于网络的恒电位仪模糊控制方法 |
| CN115558934B (zh) * | 2022-07-12 | 2024-04-19 | 国家管网集团浙江省天然气管网有限公司 | 一种基于网络的恒电位仪模糊控制方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Verma et al. | Intelligent automatic generation control of two-area hydrothermal power system using ANN and fuzzy logic | |
| Mahto et al. | Evolutionary optimization technique for comparative analysis of different classical controllers for an isolated wind–diesel hybrid power system | |
| CN111258211A (zh) | 一种基于模糊神经元pid的微电网频率控制系统及方法 | |
| CN113741169A (zh) | 一种恒电位仪的控制方法和系统 | |
| CN113625562A (zh) | 一种基于自适应观测器的非线性系统模糊容错控制方法 | |
| CN109067232A (zh) | 基于递归神经网络的并网逆变器电流控制方法 | |
| CN108667288B (zh) | 一种电力电子变换器鲁棒切换控制方法 | |
| CN108258692B (zh) | 一种参数自适应调整的谐波补偿方法及装置 | |
| Abegaz et al. | Smart control of automatic voltage regulators using K-means clustering | |
| Sekhar et al. | Load frequency control with fuzzy-PID controller under restructured environment | |
| US11368024B2 (en) | Controllers for photovoltaic-enabled distribution grid | |
| CN107968444B (zh) | 一种新能源集群协调优化控制方法 | |
| CN107515532B (zh) | 一种考虑动作门限的系统自适应控制方法 | |
| Anand et al. | Comparison of PID and fuzzy controlled DC to DC converter with inductor resistance | |
| Arya et al. | LFC performance advancement of two-area RES penetrated multi-source power system utilizing CES and a new CFOTID controller | |
| Abdelkhalek et al. | Using of ANFIS and FIS methods to improve the UPQC performance | |
| Kang et al. | Neural network based pitch controller | |
| CN112564113B (zh) | 一种基于近似化潮流电压稳定的收敛性调整方法 | |
| CN109660144A (zh) | 一种基于最小方差自适应结构的三相逆变器双模控制的方法 | |
| Roodsari et al. | A novel adaptive controller using radial basis function neural network for the wind energy conversion system | |
| Meng et al. | A novel discrete sliding mode controller for MIMO complex nonlinear systems with uncertainty | |
| Suresh et al. | Comparative Analysis of Sliding Mode Control, Artificial Neural Network and Fuzzy Logic controlled based IDVR for Power System Stability | |
| Mahdi et al. | Simulation of adaptive gain control via 2-D lookup table for isolated hybrid micro-grid system | |
| Naqvi et al. | Grid integration of a three phase multifunctional SECS using Lorentzian adaptive filter based control with impulsive disturbance rejection capability | |
| Shrivastava et al. | DESIGN OF GREY FUZZY PID CONTROLLER FOR POWER SYSTEM CONTROL: ITS ON-LINE RULE TUNING |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |