CN100492235C - 基于有限状态机的燃料电池分布式控制系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

基于有限状态机的燃料电池分布式控制系统的控制方法属于燃料电池控制系统控制技术领域。在主控制器中含有周期性任务、中断触发任务、事件激活任务，在子控制器中含有模式切换大循环体，内部包含与由主控制器决定的系统工作模式一一对应的包括初始化子循环体、启动子循环体、运行子循环体、停机子循环体、紧急停机子循环体和停机保温子循环体，还含有周期性任务，与燃料电池系统CAN网络同步的任务；温度采集节点和单片电压采集系统在收到主控制器发布的参考消息后，向主控制器反馈信息。通过本方法，简化了控制流程设计；通过确立系统节点间信息交互模式可非常方便的规划各节点间的协同工作。

Description

基于有限状态机的燃料电池分布式控制系统的控制方法

技术领域

基于有限状态机的燃料电池分布式控制系统的控制方法属于燃料电池控制系统控制技术领域。

背景技术

燃料电池系统是燃料电池城市客车整车的主动力源，对整车的性能、控制与安全影响很大。必须对燃料电池系统的内部原理和性能有相当深入的了解，获得燃料电池关键零部件特性数据，积累燃料电池系统集成经验。而燃料电池系统的集成与研究离不开电子控制，离不开控制系统。目前，由于燃料电池系统的特点和分布式控制系统的优势，燃料电池控制系统正由集中式控制系统向分布式控制系统方向发展。

一个燃料电池分布式控制系统由一个主控制器、若干子控制器和采集节点以CAN网络连接组成，涉及到的节点和控制任务众多，高效的控制极为重要。经检索，国内外公开的文献中没有涉及基于有限状态机的燃料电池分布式控制系统控制方法的文献。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于有限状态机的车用燃料电池分布式控制系统的控制方法。该方法简化了燃料电池分布式控制系统的控制，增强控制结构清晰度，提高控制效率。

本发明的特征在于，所述燃料电池分布式控制系统含有主控制器、子控制器、温度采集节点、单片电压统计节点和单片电压采集系统；该方法含有在车用燃料电池的分布式控制系统中运行的以下模块：

主控制器含有：

周期性任务，包含工作模式切换任务、数据采集任务、故障诊断任务和参考消息发送任务；

中断触发任务，包含燃料电池系统网络接收中断、向整车网络反馈信息、整车网络接收中断和由SCI接收中断触发PCMaster监控任务；

事件激活任务，包含初始化任务、启动任务、运行任务、停机任务、紧急停机任务和停机保温任务，各任务之间由相应的事件标志作为切换条件；

子控制器含有：

模式切换大循环体，包括初始化子循环体、启动子循环体、运行子循环体、停机子循环体、紧急停机子循环体和停机保温子循环体，所述初始化子循环体、启动子循环体、运行子循环体、停机子循环体、紧急停机子循环体和停机保温子循环体与由主控制器决定的系统工作模式一一对应；

周期性任务，包含数据采集任务和关键模拟量的闭环控制任务；

与燃料电池系统CAN网络同步的任务，包括燃料电池系统CAN网络消息接收中断、在预订时刻由定时器中断触发CAN消息发送；

所述主控制器周期性的执行所述工作模式切换任务，根据子控制器反馈的信息进行故障诊断，并结合整车CAN网络传送来的驾驶员意图，发出与新的工作模式对应的事件标志，事件标志激活相应的事件激活任务，在事件激活任务中执行具体算法，确定给子控制器的控制目标，并通过参考消息向子控制器发送新的工作模式和控制目标；

所述子控制器在接到主控制器发出的新的工作模式和控制目标后，跳出当前子循环体、进入切换后的子循环体，按照主控制器确定的新的工作模式和控制目标进行控制，并在预订时刻由定时器中断触发向主控制器反馈信息；

温度采集节点在收到主控制器发布的参考消息后，向主控制器反馈信息；

单片电压采集系统在收到主控制器发布的参考消息后，单片电压采集系统中的单片电压统计节点立即向单片电压采集单板发布参考消息，单片电压采集单板收到参考消息后向单片电压统计节点反馈信息。

所述主控制器中的任务是由MicroC/OS-II实时操作系统提供的任务管理资源进行分配的。所述子控制器中的任务是基于C语言实现的。

试验证明，通过本方法，简化了控制流程设计；通过确立系统节点间信息交互模式可非常方便的规划各节点间的协同工作；通过以MicroC/OS-II集成主控制器软件和以C语言下的子循环体组合在子控制器中实现有限状态机简化了各控制节点的控制软件设计。

附图说明

图1是分布式控制系统构成框图。

图2是各节点间信息流及协同工作方式。

图3是分布式控制系统的软件逻辑核心。

图4是基于实时操作系统MicroC/OS-II的主控制器软件结构。

图5是基于以C语言实现的有限状态机的子控制器软件框架。

具体实施方式

本发明基于有限状态机概念将燃料电池系统的工作划分为有限个工作模式，并制定了工作模式之间的切换逻辑，工作模式切换的工作由主控制器完成，这是系统软件的逻辑核心，简化了控制流程设计，对控制流程的修改和研究只需要在工作模式之间填入新的切换逻辑条件；节点间通过CAN网络进行信息交互，主控制器向子控制器发送工作模式切换指令和具体控制目标指令，子控制器和采集节点向主控制器反馈状态信息，子控制器严格工作在主控制器决定的工作模式之下并应用自身算法将控制量维持在主控制器规定的控制目标，从而使系统中各节点协同工作关系清晰。在此框架下，主控制器基于以MicroC/OS-II为内核的实时操作系统集成软件，子控制器以C语言实现有限状态机。

有限个工作模式包括初始化、启动、运行、停机、紧急停机和停机保温六种工作模式，子控制器承担的具体控制任务的控制方式决定于工作模式，工作模式之间的切换逻辑可根据实际被控燃料电池系统的特点和具体上层算法制订。

信息交互的模式为，主控制器根据子控制器和子控制器反馈回的状态进行故障诊断，并结合状态反馈、故障诊断和整车CAN网络传送来的驾驶员意图确定系统工作模式、制定各子控制器具体控制目标；各子控制器严格在由主控制器确定的工作模式下根据当地闭环算法将控制量维持在主控制器要求的控制目标；采集节点向主控制器反馈全部信息，也可以向各子控制器提供对应的部分信息；子控制器之间也可以有少量的信息共享。围绕着这样的信息交互模式清晰的确立了系统节点间的协同工作模式。

基于以MicroC/OS-II为内核的实时操作系统集成主控制器软件具体方法为，将主控制器软件划分为MicroC/OS-II管理下的多个任务，并将任务分为周期性任务、事件激活任务和中断触发任务。属于周期性任务的工作模式切换任务和由工作模式切换任务激活的各工作模式任务是系统软件逻辑核心；属于周期性任务的参考消息发送起到了管理CAN网络和进行网络正时的作用；周期性任务还包括信号采集和故障诊断；中断触发任务主要用于接收子控制器和采集节点的消息反馈以及整车网络的消息。在子控制器中以C语言实现有限状态机的方式为，在主函数的主循环体内设立与各工作模式一一对应的子循环体，各子循环体内不断进行逻辑判断，一旦主控制器经CAN网络传来模式切换的指令，则跳出当前子循环体、进入切换后的子循环体。在模式切换框架中填入切换条件，在主控制器MicroC/OS-II软件框架中的各个工作模式任务中填入具体算法。在子控制器的以C语言实现的有限状态机框架中填入具体算法。这样就使得控制方法的更改和维护更加简便清晰。

下面结合附图对本发明具体实施做进一步说明：

图1所示为分布式控制系统构成框图。燃料电池分布式控制系统由主控制器和供气系统子控制器、水热系统子控制器、电气系统子控制器、温度采集子节点以及单片电压采集系统等六个节点以CAN网络连接组成。温度采集子节点和单片电压采集系统均属采集节点，单片电压采集系统包含有单片电压统计节点和单片电压采集单板，采集单板将电压采集后通过CAN网络传输给单片电压统计节点，单片电压统计节点将数据传输给主控制器。设立主控制器是为了完成繁重的运算、管理以及与整车网络的通讯，而具体的与大量传感器、执行器的连接以及闭环控制任务主要由各个子控制器独立完成。采集节点用于对需要集中采集的信号进行处理，并将采集结果提供给主控制器和将部分采集结果提供给子控制器。

图2所示为各节点间信息流及协同工作方式，其中1为控制命令，2为状态反馈，3为信息共享。系统各节点间的信息交互有三类：一是主控制器发给子控制器的控制命令，包括工作模式指令和具体控制目标；二是子控制器和采集节点向主控制器进行信息反馈；三是子控制器之间的少量信息共享。其中最重要的协同方式为主控制器和子控制器之间的协同工作。主控制器根据子控制器和子控制器反馈回的状态以及自身采集的数据进行故障诊断，并结合状态反馈、故障诊断和整车CAN网络传送来的驾驶员意图确定系统工作模式、制定各子控制器具体控制目标。其中由主控制器自身采集的数据主要是跟系统安全紧密相关的信号，如氢气浓度。系统工作模式和具体控制目标通过CAN网络被各子控制器接收，子控制器严格工作在主控制器规定的工作模式下，并通过自身闭环算法将各关键控制量维持在主控制器制订的具体控制目标。供气系统子控制器的主要控制任务有：空气流量控制、氢氧压差控制、氢气尾排控制；具体控制目标包括目标空气流量、目标氢氧压差、目标氢气尾排速率，由主控制器算出并经CAN网络传送至供气系统子控制器。供气系统子控制还要负责采集空气流量、各处空气压力及氢气压力等模拟量并向主控制器反馈。水热系统子控制器的主要控制任务有：电堆进口冷却剂温度控制、电堆进出口冷却剂温差控制；具体控制目标包括电对进口冷却剂目标温度、电堆进出口冷却剂目标温差，由主控制器算出并经CAN网络传送至水热系统子控制器。水热系统子控制器还要负责实时采集各冷却回路的电导率和冷却剂压力等模拟量并向主控制器反馈。电气系统子控制器的主要任务有：控制电堆强电输出的通断，控制系统中执行器供电的通断，控制目标取决于主控制器经CAN网络发送来的工作模式。电气系统还要负责采集电堆输出电流并向主控制器反馈。子控制器之间的少量信息共享主要为电气系统子控制器需要向供气系统子控制器和水热系统子控制器提供电堆输出电流。温度采集子节点对系统中需要温度监控的地点进行温度采集并反馈给主控制器和部分反馈给子控制器；单片电压采集系统采集燃料电池电对所有单片电压、进行统计，并将统计结果反馈给主控制器。除此以外，子控制器中还有一些比较简单次要的任务，并不需要主控制器的指令，而是由子控制器独立完成，如各去离子水箱的水位控制。

图3所示为分布式控制系统的软件逻辑核心。实质上是一张工作模式切换流程图，描述了初始化、启动、运行、停机、紧急停机以及停机保温六个系统工作模式以及工作模式之间的切换关系。初始化模式是要确认控制系统上电后各子系统能够正常工作；启动模式下，要将各燃料电池系统各控制量调整至设定的初始化目标量；运行模式下，燃料电池系统按照负载情况进行正常功率输出；停机模式下，要将燃料电池系统各控制量调整至停机目标量；紧急停机模式下对严重系统故障进行处理，需要立即切断功率输出和供气；停机保温模式下，除将燃料电池系统各控制量调整至停机目标量外，还需要将冷却系统温度调整至保温目标温度。软件逻辑核心是整个分布式控制系统的神经中枢，决定着系统内所有节点的工作模式。主控制器经CAN网络接收来自子控制器和采集结点的信息反馈，并结合主控制器自身的少量数据采集执行状态监控，状态监控任务的结果是给出故障模式。模式切换的条件主要需要应用到驾驶员意图(如启动开关、停机开关等)、故障模式，这是在使用本方法时可以按照需要修改和填写的部分。这一逻辑核心具体是由主控制器中的工作模式切换任务执行的，主控制器中存在六个事件激活任务，分别与六种工作模式一一对应。工作模式切换任务决定系统工作模式，并发出事件标志激活相应的事件激活任务，在该事件激活任务中，主控制器将执行与当前工作模式对应的算法，对子控制器提出控制要求。子控制器通过CAN网络接收到工作模式后，切换到与该工作模式对应的子循环体，该子循环体内有与当前工作模式相对应的算法。具体的说：各个控制节点执行什么样的具体算法和任务均取决于工作模式。于是，图3所示的软件逻辑核心就有效的管理起了燃料电池系统。需要说明的是，采集节点的任务较简单，并不需要受到工作模式的影响。采集节点在背景任务中不断进行采集和将采集数据存进数据池，并在系统指定的发送时刻将采集信息向网络发布。使用本方法对系统逻辑核心进行设计只需要落实图中所示的逻辑切换条件1～条件9。

图4所示为基于实时操作系统MicroC/OS-II的主控制器软件结构。主控制器软件包括MicroC/OS-II管理下的多个任务，按照MicroC/OS-II提供的任务管理资源，将任务分为周期性任务、事件激活任务和中断触发任务三类。前面提到的工作模式切换任务即属于周期性任务，是系统软件逻辑核心，属于周期性任务的参考消息周期性向燃料电池系统CAN网络发送参考消息，起到网络正时的作用，周期性任务还包括信号采集任务和故障诊断任务。中断触发任务主要用于接收子控制器和采集节点的消息反馈以及整车网络的消息。工作模式切换任务被周期性执行，每次执行时会根据图3所示的逻辑核心进行工作模式判定新的工作模式，并发出与工作模式一一对应的事件标志，事件标志将激活相应的事件激活任务，在事件激活任务中将执行具体算法，制订给子控制器的控制目标。事件激活任务包括：初始化任务、启动任务、运行任务、停机任务、紧急停机任务和停机保温任务。与系统工作模式一一对应。

图5所示为基于以C语言实现的有限状态机的子控制器软件框架。子控制器软件框架的核心为模式切换大循环体，是C语言下的主函数死循环体。模式切换大循环体包括若干个并列的子循环体，每个子循环体即为一个任务，包括初始化子循环体、启动子循环体、运行子循环体、停机子循环体、紧急停机子循环体和停机保温子循环体，与由主控制器决定的系统工作模式一一对应。每个子循环体中包含工作模式判断语句，一旦主控制器经燃料电池系统CAN网络发送的工作模式发生了改变，子控制器软件的执行将切换到新的子循环体。这样，子控制器与主控制器在工作模式上就达成了一致，从而保证了工作模式在整个系统的贯彻，系统软件结构清晰。对子控制器软件的编写工作在很大程度上只需要向各个子循环体内填入与相应的子控制器模式算法。除模式大循环体外，子控制器软件还集成了周期性任务和与燃料电池系统CAN网络同步的任务。周期性任务包括数据采集任务和关键模拟量的闭环控制任务，分别负责数据采集和将关键模拟量控制在主控制器设定的控制目标。与燃料电池系统CAN网络同步的任务包括燃料电池系统CAN网络消息接收中断和在预订时刻由定时器中断触发CAN消息发送。燃料电池系统CAN网络消息接收中断负责从燃料电池系统CAN网络接收当地子控制器需要接收的消息，在预订时刻由定时器中断触发CAN消息发送可以改善CAN网络有序性，在收到主控制器参考消息的时刻启动定时器并设定延时时间，定时器中断服务例程是进行CAN消息发送，这样，通过合理安排各个控制器的延时时间，就可以保证燃料电池系统CAN网络的有序性。不同于主控制器中以实时操作系统集成的软件，子控制器软件框架实质上是一个前后台系统，模式切换大循环体为后台，周期性任务和与燃料电池系统CAN网络同步的任务则均属前台。

系统单片机的选型搭配建议为：主控制器要承担繁重的运算、管理人物，选择32位单片机，胜任运行适时操作系统和系统管理，并已配有相应MicroC/OS-II移植代码。子控制器和采集节点的运算能力要求不高，选用8位单片机，但是需要有丰富的输入输出资源以适应子控制器的大量I/O需求。

Claims (3)

1、基于有限状态机的燃料电池分布式控制系统的控制方法，其特征在于，所述燃料电池分布式控制系统含有主控制器、子控制器、温度采集节点、单片电压统计节点和单片电压采集系统；该方法含有在车用燃料电池的分布式控制系统中运行的以下模块：

主控制器含有：

周期性任务，包含工作模式切换任务、数据采集任务、故障诊断任务和参考消息发送任务；

中断触发任务，包含燃料电池系统网络接收中断、向整车网络反馈信息、整车网络接收中断和由SCI接收中断触发PCMaster监控任务；

事件激活任务，包含初始化任务、启动任务、运行任务、停机任务、紧急停机任务和停机保温任务，各任务之间由相应的事件标志作为切换条件；

子控制器含有：

模式切换大循环体，包括初始化子循环体、启动子循环体、运行子循环体、停机子循环体、紧急停机子循环体和停机保温子循环体，所述初始化子循环体、启动子循环体、运行子循环体、停机子循环体、紧急停机子循环体和停机保温子循环体与由主控制器决定的系统工作模式一一对应；

周期性任务，包含数据采集任务和关键模拟量的闭环控制任务；

与燃料电池系统CAN网络同步的任务，包括燃料电池系统CAN网络消息接收中断、在预订时刻由定时器中断触发CAN消息发送；

所述主控制器周期性的执行所述工作模式切换任务，根据子控制器反馈的信息进行故障诊断，并结合整车CAN网络传送来的驾驶员意图，发出与新的工作模式对应的事件标志，事件标志激活相应的事件激活任务，在事件激活任务中执行具体算法，确定给子控制器的控制目标，并通过参考消息向子控制器发送新的工作模式和控制目标；

所述子控制器在接到主控制器发出的新的工作模式和控制目标后，跳出当前子循环体、进入切换后的子循环体，按照主控制器确定的新的工作模式和控制目标进行控制，并在预订时刻由定时器中断触发向主控制器反馈信息；

温度采集节点在收到主控制器发布的参考消息后，向主控制器反馈信息；

单片电压采集系统在收到主控制器发布的参考消息后，单片电压采集系统中的单片电压统计节点立即向单片电压采集单板发布参考消息，单片电压采集单板收到参考消息后向单片电压统计节点反馈信息。

2、如权利要求1所述的基于有限状态机的燃料电池分布式控制系统的控制方法，其特征在于，所述主控制器中的任务是由MicroC/OS-II实时操作系统提供的任务管理资源进行分配的。

3、如权利要求1所述的基于有限状态机的燃料电池分布式控制系统的控制方法，其特征在于，所述子控制器中的任务是基于C语言实现的。

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