实时实现增量式模糊逻辑控制器的天然气管道腐蚀控制

文摘

一个强大的基于虚拟仪器的模糊增量控制器提出了天然气管道保护金属腐蚀。控制器输出取决于误差和误差变化的控制变量。腐蚀控制管道土壤潜在目的是视为流程变量。提出了模糊增量控制器设计使用一个非常简单的控制规则库和最自然的和公正的隶属度函数。该方案检测是一个广泛的管道土壤潜在的控制。常规比例积分类型之间的性能比较,提出模糊增量控制器是由几个方面性能标准如峰值超调、沉降时间、上升时间。结果表明,该控制器优于传统的同行在每种情况下。设计的控制器可以在automode等待初始偏振稳定。初始启动曲线比例积分控制器和模糊增量控制器的报道。该控制器可用于保护任何金属结构如管道、坦克、混凝土结构、船舶和海上结构物。

1。介绍

天然气(NG)运输管道网络系统类似于国家电力传输网络,用于输送天然气(NG)在一个国家数千英里从不同的源站到多个目的地。这地下铁绝缘涂层管道网络操作的高压90酒吧。腐蚀现象,金属被氧化和蚀刻掉自然造成物质损失。腐蚀的管道会导致减少壁厚的设计寿命管道、气体泄漏、环境污染、火灾隐患,和天然气供应中断。这可能会导致重大人为灾害像天然气运输管道爆炸。腐蚀降低金属结构的生命,石油和天然气传输地下和海底管道,储罐,海上平台,等等。

腐蚀是一种电化学过程。它可以由印象电流控制天然气管道(作为腐蚀电池的阴极)。基础上管土壤潜在的测量(PSP)和设计细节管道腐蚀控制外加电流阴极保护(组成)方法是可用的(1]。传统变压器整流器(TR)单位用于阴极保护(CP)系统使用转接辅助变压器(2]。精密调节与传统系统输出是不可能的,通常需要更多的人工干预。组成阳极地床设计细节解释3]。管土壤潜在(PSP)是腐蚀管道的健康指标。测量PSP,半电池(4)是必需的。阴极保护标准给出了(5,6]。实验装置与电解液腐蚀研究中说明了(7]。管道腐蚀控制可以表示成电等效电路(8]。组成也可以申请气体绝缘电缆(9]。将会有广泛的管道涂层电阻的变化,土壤pH值、土壤电阻(10沿着管道),等等,。管道腐蚀过程的精确建模是困难与这些影响因素(11]。组成的生命延长管道(12]。

基于比例积分(PI)控制器的腐蚀控制报告(13]。自动调谐(14)可以在π组成控制系统来实现。PI控制器适用一旦初始极化过程完成。CP在管道腐蚀控制系统,首次极化需要24 - 72小时。腐蚀控制器需要放在automode甚至初始极化期间。变压器整流器(TR)抽头切换过程自动化使用计算机(15]单位;由于利用变化的固有特性,它不提供平滑的输出变化。

腐蚀预防减少环境污染和改善经济16]。地下金属管道主要是保护涂料。即使在优质涂料,涂层缺陷可能存在。外加电流阴极保护是用于保护管道涂层缺陷(17]。当铺设地下管线时,土壤作为电解液腐蚀电池和金属管道腐蚀发生在主要是由于微分腐蚀电池。当前管道,赢得整个结构是由成为阴极的腐蚀电池18]。外加电流控制器应该动态足以防止管道腐蚀涂层缺陷的变化(19]。阴极保护的主要目标和要求(CP)系统是防止外部腐蚀整个设计寿命(12)管道的印象足够的当前管道。最佳外加电流必须维护。在当前将导致腐蚀和过电流将影响涂层结合(13]。

模糊增量控制器报告来控制地下金属管道的腐蚀及其性能与传统的比例积分(PI)控制器。该控制器可以在automode从零小时的初始极化过程。腐蚀过程控制,当设置点和过程值(PSP)成为平等,输出不应该成为零,它应该在它的前一个值病情留在原地。模糊控制器输出增量变化单相AC。多样的交流整流,过滤,美联储管道腐蚀控制的目的。

2。外加电流阴极保护

最常见的工程材料的腐蚀near-ambient温度发生在水环境中(电解质)。一系列电(1)是根据它们的相对排列的金属和合金腐蚀电位在给定的环境中。当两种金属电耦合在一个环境中,更多的负面(主动)成员的夫妇将成为阳极微分腐蚀电池,另一个成为阴极。图1显示了简单的腐蚀控制使用外加电流阴极保护方法。

腐蚀过程的电化学性质提供了机会来检测和减轻腐蚀的地下结构。当一块金属在电解质,电压将开发在金属电解质界面。金属和参比电极之间的电压差称为管土壤潜在(PSP)。这个管道土壤潜在的测量可以用来估计的相对电阻不同的金属腐蚀,在给定的环境中。土壤环境中铜硫酸盐参比电极(CSE)被广泛用于测量PSP。

阴极保护技术,以减少金属表面的腐蚀速率,使它的阴极电化学细胞(20.]。这是通过改变金属的潜在负方向通过使用外部电源(称为外加电流CP)。保护电流密度0.03 mA / M²(4)应用的三层聚乙烯涂层管道。一个外加电流阴极保护系统(组成)负(常规电流)潜在适用于被保护的金属结构和积极的潜力要牺牲阳极,如图2。当保护电流()等于或超过腐蚀电流(),然后腐蚀速率变得可以忽略不计;也就是说,腐蚀过程停止。

外加电流系统用半惰性阳极提供保护电流(半溶性)。因为这些阳极相对惰性,他们表现出相对高贵的电化学势。产生电荷流的方向cathodically极化钢结构,有必要连接外部电源半惰性阳极及钢结构之间的串联。阴极保护标准(5,6如前所述如下:(我)metal-to-electrolyte潜在选择腐蚀速率小于0.01毫米/年(0.39毫升/年),(2)极化电位更负850−mV CSE,(3)限制重要潜在负面不超过−1200 mV CSE。

自然的PSP钢管−0.55伏(当Cu-CuSO左右₄参比电极使用)。如果PSP小于−1.5伏特(比如−1.6伏),然后管道进入保护区,它会导致涂料解散。如果PSP超过−0.85伏特(比如−0.8伏),那么它将进入保护区,这将导致腐蚀。

3所示。模糊增量控制器

模糊逻辑处理是近似推理,而不是固定的和准确的21]。相比传统的二进制集(变量可能需要在真或假值),模糊逻辑变量可能有真值,范围在0和1之间。实现模糊逻辑技术,一个真正的应用程序,它需要以下三个步骤。

模糊性:经典数据或脆数据转换成模糊数据或隶属度函数(MFs)。所有机器可以处理脆或经典数据,如“0”或“1。“为了使机器能够处理模糊的语言输入,如“轻微的,”“媒介,”和“大”必须转化为语言的输入和输出变量与模糊组件。控制腐蚀管道,误差,误差的变化,输出控制变量必须被转换成语言变量相关。

模糊推理过程:结合隶属度函数和控制规则,推导出模糊输出。开始模糊推理过程,需要结合隶属度函数和控制规则,推导出控制和安排这些输出输出到一个表称为查找表。表1显示了模糊规则为腐蚀控制设计。控制规则是模糊推理的核心过程,这些规则是直接关系到人类的直觉和感觉。

模糊规则可能会被解读为下面:

“如果错误是积极的变化大,错误是正的大输出是积极的。”

Mamdani类型的推理和质心类型的去模糊化是用于这项工作。这里错误(设定值和实际过程值)的区别和变化误差(区别当前错误和过去的错误)是模糊系统的输入。在模糊规则的情况下,也可以部分满足的条件在某种程度上(不是脆的规则),具有不错的效果能够之间插入两个规则的条件,达到顺利的从一个状态转换到另一种诱导表面模糊控制。

管土壤潜在过程变量。输入和输出信号范围是主持±1图3。如果错误是说正小(PS)(例如设定值−−1.2伏特和实际过程值0.9伏特,误差是0.3)和误差的变化是积极的小(PS),输出应该增加小程度上,也就是说,积极的小。错误显示的大小区别设定价值和工艺价值,而改变错误显示了错误的方向。的性能改进方法(PI型模糊控制器给出的22]。讨论了模糊逻辑控制器重置行动(23]。讨论了模糊逻辑控制器的基本(24]。理论分析不均匀地间隔的三角形隶属函数的模糊控制器可以在[25]。PID控制器使用一个简化的Takagi-Sugeno规则方案是在(26]。这里模糊增量控制器开发和实施控制地下金属管道。模糊增量控制器的性能比较与传统PI控制器。各种类型的PID控制器可用报告(27]。去模糊化标准,分类讨论了(28]。和模糊建模理论方面讨论了(21,29日- - - - - -32]。

的定义是错误的信号。错误被定义为的变化。π型模糊逻辑控制器的操作(方法)可以被描述,在那里采样时刻和吗控制器输出的增量变化。每个规则的模糊逻辑控制器具有一个“如果”部分称为先行词和“然后”部分称为随之而来。如果祖先得到满足的条件,然后应用结果。错误”“及其变化”“控制”的输入或祖先和改变“作为输出或顺向的统治基础。比例因子模糊控制器非常类似于一个传统的控制器增益控制器用于描述特定输入正常化和输出反规范化。因此,这些扩展的因素是非常重要的对控制器的稳定性和性能。使用可用的一组规则定义专业知识模糊控制器的输入和输出关系。这些规则是使用语言变量定义。如果有一个持续的稳态误差,积分作用对于传统的控制系统是必要的。控制信号的积分作用会增加如果有一个小正错误,无论多小错误;积分作用会降低,如果错误是负的。一个控制器和积分作用将始终返回零稳态误差。

的问题积分器终结必须处理。积分结束时最终控制元件浸透在闭环控制系统中,控制操作保持不变,但错误将继续整合,积分器的风。积分项可能会变得非常大,它会需要很长时间才能关闭它当误差变化的迹象。大型过激的可能结果。

它通常是一个更好的解决方案配置控制器作为一个增量控制器(33]。增量控制器添加一个控制信号的变化当前的控制信号

控制器的输出是一个增量控制信号。这是一个优势,积分器的控制器输出直接驱动,然后很容易处理终结和噪音。一个缺点是它不能包括微分动作。规则库的输出因此被称为输出的变化和输出的增益改变了名称相应GCU部件。控制信号是以前的增量的总和: 在理想的连续PI控制器, 在哪里控制器输出,是成比例增加,是积分时间,和是错误参考和过程之间的输出。

在数字控制,和小的采样时间方程可以近似离散近似。更换使用矩形积分和积分,一个近似 指数指的是时间常数。

信号是用小写前收益和大写后收益。调优收益主要是响应,但由于有两种收益,也可以用于扩展输入信号。控制器的输出是一个增量控制信号。这是一个优势,直接从一个积分器控制器输出驱动,然后很容易处理终结和噪音。的框图模糊增量(FInc)控制器如图4。规则库的输出输出的变化 和输出的增益改变了名称GCU部件。

控制信号是以前的增量的总和: 在哪里是采样周期。

这个控制器的线性近似

通过比较方程很明显,相关收益以下列方式:

模糊增量控制器消除稳态误差,给光滑的控制信号。

3.1。通过虚拟仪器实现模糊增量控制器

现代虚拟仪器(VI)需要最复杂的硬件和软件解决方案来满足工业的需求,教育和科学应用(34]。虚拟仪器(VI)技术的用户设计和测试函数来满足他们的需求通过软件(35]。故障诊断是很容易用VI (36]。虚拟仪器强调的不是,每一个模块是一个工具,而是通过将不同的软件可以扩大或构成各种各样的仪器或系统与不同的系统。监测使用VI杂散电流腐蚀是在(37]。

PSP的结构受到保护测量使用半电池。这是美联储作为输入信号模拟输入模块的数据采集卡(采集)。想要的设置点(通常−−0.85和1.5伏之间)手动输入。控制器模块给出了输出设置点(SP)的基础上,测量值(PV)和模糊逻辑规则。这个控制器处于直接作用模式,也就是说,增加错误增加控制器的输出。

模糊控制器模块输出分配给模拟输出模块的数据收集。控制器的输出动态双向可控硅触发角的变化。单相交流电源供应是美联储双向可控硅。降压器(230/24伏特)连接负载的晶闸管。降压器输出整流、过滤、然后美联储的管道。降压器的目的是减少电压nonobjectionable水平,来满足负载侧电流的要求。

新设计开发的基于虚拟仪器的模糊增量控制器前面板呈现在图5(一个)。框图(编写的程序在虚拟仪器)如图5 (b)。在保护窗口将成为红色当PSP小于−1.5伏特(比如−1.6伏特);受到保护窗口将成为红色如果PSP大于−0.85伏特(比如−0.8伏)。当控制器设置手册模式、设定值将直接作为输出。在手动模式设置点然后是1.5控制器输出也将1.5伏特。下汽车PSP模式,它将试图维持PSP的设置点。

框图,cp8.fs是控制器模糊逻辑链接的模糊性和去模糊化28隶属度函数分配如图3。这两个模糊输入使用(误差和误差变化量)和一个输出(控制器输出)。腐蚀控制的目的,PSP作为过程的价值。这里公式块用于转换的信号。在这个设计中,PSP,控制器控制器输出电压和输出电流测量通过采集输入通道。通过采集输出通道控制器输出被发送。

实验装置如图6。在这个原型,五米长,10毫米直径铁棒用作标本。涂以聚氯乙烯(使它类似于涂天然气管道)。它被埋在土壤的深度1米。阳极床上放置5米远的地方,标本受到保护。PSP是使用铜硫酸铜电极测量。负面的纠正和过滤直流连接到标本受到保护,积极的一面是连接到阳极的床。

4所示。结果和讨论

模糊增量控制器响应如图7。改变设置点时,过程值跟踪设定值,而不会产生任何错误。从图可以观察到,当设置点从−−1.5 V 1.7伏特,少了多少秒到达设置点。而且没有重大超过或低于观察。一旦设置点和matche过程价值,没有振荡或稳态误差。控制器输出用于不同的点火角thyrister (AC相位控制)。如果错误,导通角会更,反之亦然。对于简单的模糊控制器,如果设置点和过程值(PSP) matche,它会给零输出。如果在这里就会发射角接近180°相位控制单元,在零输出结果。然后处理价值(PSP)将进入保护区。 By this time error will increase drastically which will give high value output to the phase control unit, which will result in over protection. Process value would be oscillating and never settle, whereas in fuzzy incremental controller, fuzzy controller output is added to the current output. In this case when the process value matches with the set point, output will not become zero.

PI控制器的启动曲线如图8(一个)并给出模糊控制器如图8 (b)。与传统控制器,它必须是在手动模式初始极化期间,它可以采取automode只有两天之后完全极化,而它与模糊增量控制器并非如此。它可以放在automode从第一天开始。这一事实与最初的启动曲线(数据证实8(一个)和8 (b))的PI控制器和模糊控制器。振荡是在初始极化过程中PI控制器的输出。当使用PI控制器,它需要不同的比例和积分常数在初始极化和极化后38),但它与模糊增量控制器并非如此。性能模糊增量控制器和PI控制器的阶跃变化的输入数据所示9(一个)和9 (b),分别。时域性能对比表中给出了模糊PI控制器2。

虚拟仪器设计PI的腐蚀控制器报告(13]。它需要专业知识选择””和““常量。可以选择“”和““常量使用自动继电器调优14]。然而,优化过程必须手动开始。基于虚拟仪器的模糊控制器对天然气管道仿真报告(11]。一个闭环控制系统将模糊逻辑已经开发了Iraq-Turkey原油管道(38];这个控制器的输出是不同的步骤。阴极保护系统的优化设计报告(17];控制器性能优化部分不是感动。在计算机控制阴极保护变压器整流器(15),抽头切换使用计算机远程控制。固有的缺点提供变压器整流单元并没有消除。组成逻辑可以实现在分布式控制系统(DCS)或可编程序逻辑控制器(PLC) (39]。

设计控制器的表现在时间域的各个方面规范如沉降时间和下/过激的瞬态行为。设计模糊增量控制器比传统的PI控制器早些时候到达设定值。在设计控制器没有振荡。此外启动(在初始偏振)曲线的模糊增量控制器优于传统的PI控制器。设计模糊增量控制器可以放在automode无需等待初始极化而不是与PI控制器。

5。结论

模糊逻辑控制器似乎最合适的控制器在其他常规天然气管道腐蚀控制系统的控制器,因为快速反应实现稳态条件任何干扰;它非常灵活,操作方便。设计和开发基于虚拟仪器的模糊增量腐蚀控制器实现了地下天然气管道。防止管道腐蚀通过精确控制管道土壤潜在在所需的水平。摘要传统的增量PI和模糊逻辑控制器进行比较;获得更好的时域响应相比传统的PI控制器。初始启动响应显著提高和超调量为输出响应成功地减少了使用模糊逻辑控制器;此外,观察到平滑的瞬态响应。在传统的控制器,在启动时需要人工干预。在设计控制器,不需要人工干预,直到初始极化,而模糊增量控制器可以在automode从0小时。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者感谢d先生身边,高级经理,和n . Nandagopal先生盖尔(印度)有限公司的高级经理,Nagappattinam,印度泰米尔纳德邦,宝贵的帮助而开展这项研究工作。

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