CN102569857A

CN102569857A - 模糊pid算法在燃料电池散热系统中的应用

Info

Publication number: CN102569857A
Application number: CN2012100368230A
Authority: CN
Inventors: 马天才; 顾荣鑫; 金秀龙; 张洁; 王江; 吴伟; 徐加忠; 卞磊; 左琳琳
Original assignee: Kunshan FUersai Energy Co Ltd
Current assignee: Kunshan FUersai Energy Co Ltd
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明公开一种模糊PID算法在燃料电池散热系统中的应用，该燃料电池散热系统包括与燃料电池连接的水箱，该水箱通过循环水泵及相应的管道与散热器和散热风扇连接，一主控制器通过传感器采集燃料电池的数据信号传送给一风扇控制器，该风扇控制器控制散热风扇的转速，并通过模糊PID控制算法得出散热风扇的相应转速实现相应的散热能力。本发明将模糊控制和PID控制结合的模糊PID控制具有模糊控制的灵活、适应性强、控制精度高的优点。

Description

模糊PID算法在燃料电池散热系统中的应用

技术领域

本发明涉及燃料电池系统散热技术，更具体地说，是一种模糊PID算法在燃料电池散热系统中的应用。

背景技术

燃料电池是一种将燃料中的化学能直接转化变成电能的发电装置。燃料电池系统的温度控制是燃料电池系统控制的重要环节，其控制效果对系统输出、系统性能、系统寿命都有很大影响。本文研究了燃料电池温度控制系统；针对燃料电池散热系统的大惯性、大超调提出了模糊PID控制及径向神经网络PI控制，利用仿真分析，对比两种控制方法的控制效果，选择了径向神经网络PI控制；经过实验，结果表明使用该算法进行温度控制与传统方法相比具有响应速度快，超调小，动态好等特点。

PEMFC(质子交换膜燃料电池)正常工作温度范围较窄,目前PEMFC的正常工作温度在60-80度之间，过低的温度会降低催化剂活性，增大欧姆阻抗；温度过高则会导致质子交换膜脱水，电导率下降。对于燃料电池而言，最理想的情况是电堆内部温度完全一致，这样有助于提高电堆内部单片电池的一致性，有利于改善电堆性能和延长电堆寿命。但是燃料电池化学反应产生的热要由低温介质带出电堆，因此电堆内部必须有一定的温度差，这样多余的热量才能够由电堆内转移到冷却介质并带出电堆。通过控制冷却介质流出温度，从而把电堆温度控制在一定的范围之内。

因为PID控制器结构简单，容易实现。现大多工业控制现场仍然采用PID控制算法。但由于燃料电池系统具有时变性、强耦合性以及电池内部工作参数不确定，在加上外界负载和环境温度的扰动，使得传统的PID控制难以获得理想的效果。同时PID控制是基于误差反馈控制，即系统稳定时，系统输出和控制量存在稳态误差。

发明内容

由于现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提出一种模糊PID算法在燃料电池散热系统中的应用，将模糊控制和PID控制结合的模糊PID控制将具有模糊控制的灵活、适应性强、控制精度高的优点，并根据实际工况运行模糊推理实现在线调节PID参数。

为实现本发明的目的，本发明提出的模糊PID算法在燃料电池散热系统中的应用，该燃料电池散热系统包括与燃料电池连接的水箱，该水箱通过循环水泵及相应的管道与散热器和散热风扇连接，一主控制器通过传感器采集燃料电池的数据信号传送给一风扇控制器，该风扇控制器控制所述散热风扇的转速，并通过模糊PID控制算法得出所述散热风扇的相应转速实现相应的散热能力，该模糊PID控制算法包括以下步骤：

1) 采集当前采样时刻燃料电池的温度；

2）计算误差值e(k)和误差变化率ec(k),

e(k)=r(k)-y(k),ec(k)=(e(k)-e(k-1))/T,其中r(k)为燃料电池设定温度，y(k)为实际采集到的燃料电池的温度,其中，K为采样序号，T为采样时间；

3）将系统误差e 和误差变化率ec 变化范围定义为模糊集上的论域，其模糊子集为e , ec = { NB , NM , NS , ZO , PS ,PM ,PB}（这个跟前面的论域是什么关系，怎么得出的？前面有11个数字，这里是7个） , 子集中元素分别代表负大, 负中, 负小,零,正小,正中,正大，将e(k),ec(k)根据该模糊子集模糊化。

4）建立模糊规则表，得到针对不同的误差e和误差变化率ec所对应的ΔKp，ΔKi，ΔKd，并根据以下公式进行自适应校正,并计算Kp, Ki, Kd：

Kp = Kp′+ { e′ , ec′ }ΔKp

Ki = Ki′+ { e′ , ec′ }ΔKi

Kd = Kd′+ { e′ , ec′ }ΔKd

其中Kp′为上一个周期的Kp;

Ki′为上一个周期的Ki；

Kd′为上一个周期的Kd；

e′ 为上一个周期的误差变化;

ec′为上个周期的误差变化率;

5）根据PID离散控制算法，计算PID控制器输出u(k) ,从而控制所述散热风扇的相应转速实现相应的散热能力，式中：k为采样序号，T为采样时间。

作为本发明的进一步特征，以上所述步骤4）中还包括将ΔKp ，ΔKi ，ΔKd变化范围定义为模糊集上的论域，其模糊子集ΔKp ，ΔKi ，ΔKd = { NB , NM , NS , ZO , PS ,PM ,PB}（这个跟前面的论域是什么关系，怎么得出的？前面有11个数字，这里是7个） , 子集中元素分别代表负大, 负中, 负小,零,正小,正中,正大。

作为本发明的进一步特征，所述传感器包括温度传感器和电流传感器。

由于采用以上技术方案，本发明的模糊PID算法在燃料电池散热系统中的应用，其通过模糊PID控制算法（以各个温度为关键参数）得出相应转速并实现相应的散热能力。本发明将模糊控制和PID控制结合的模糊PID控制具有模糊控制的灵活、适应性强、控制精度高的优点。

附图说明

下面根据附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明中燃料电池散热系统的结构图

图2为本发明模糊控制器流程图。

具体实施方式

如图1所示，该燃料电池散热系统包括与燃料电池1连接的水箱3，该水箱3通过循环水泵4及相应的管道与散热器和散热风扇5连接，一主控制器（FCU）2通过温度传感器和电流传感器采集燃料电池的温度、电流数据信号传送给风扇控制器6，该风扇控制器6控制散热风扇的转速即控制散热量，图1中负载7为燃料电池供电对象，箭头表示散热系统中冷却水的流向，水泵4负责执行水循环，水箱3负责存储冷却水，通过模糊PID控制算法得出散热风扇的相应转速实现相应的散热能力，如图2所示，该模糊PID控制算法包括以下步骤：

1) 采集当前采样时刻燃料电池的温度；

2）计算误差值e(k)和误差变化率ec(k),e(k)=r(k)-y(k),

ec(k)= (e(k)-e(k-1))/T,其中r(k)为燃料电池设定温度，y(k)为实际采集到的燃料电池的温度,其中，K为采样序号，T为采样时间；

4）建立模糊规则表，得到针对不同的误差e和误差变化率ec所对应的

ΔKp，ΔKi，ΔKd，并根据以下公式进行自适应校正,并计算Kp, Ki, Kd：

Kp = Kp′+ { e′ , ec′ }ΔKp

Ki = Ki′+ { e′ , ec′ }ΔKi

Kd = Kd′+ { e′ , ec′ }ΔKd

其中Kp′为上一个周期的Kp; Ki′为上一个周期的Ki；

Kd′为上一个周期的Kd；

e′ 为上一个周期的误差变化;

ec′为上个周期的误差变化率;

本发明中ΔKp ，ΔKi ，ΔKd变化范围也定义为模糊集上的论域，其模糊子集ΔKp ，ΔKi ，ΔKd = { NB , NM , NS , ZO , PS ,PM ,PB}（这个跟前面的论域是什么关系，怎么得出的？前面有11个数字，这里是7个） , 子集中元素分别代表负大, 负中, 负小,零,正小,正中,正大。

本发明所述的模糊规则表，可根据如下规律所示，可得到针对不同的误差e和误差变化率ec所对应的ΔKp，ΔKi，ΔKd。

（ΔKp ,ΔKi ,ΔKd 代表什么？怎么得出的？）

表

ΔKp 的模糊规则

表

Δki的模糊规则

Figure 2012100368230100002DEST_PATH_IMAGE007

表 Δkd的模糊规则

如果（e′是 NB) 且 ( ec′是 NB ) 则 (ΔKp 是 PB)( ΔKi 是 NB) (ΔKd 是 PS) (1)

如果（e′是 NB) 且 ( ec′是 NM) 则 (ΔKp 是PB)( ΔKi 是 NB) (ΔKd 是 PS) (2)

……

如果（e′是 PB)且( ec′是 PB) 则(ΔKp 是 NB) (ΔKi 是 PB) (ΔKd 是 PB) (49)

{ NB , NM , NS , ZO , PS ,PM ,PB}分别代表负大, 负中, 负小,零,正小,正中,正大

其中e′论域中{ NB , NM , NS , ZO , PS ,PM ,PB}对应于{[负无穷 -6],[-6,-3],[-3 -1],[-1 1],[1 3 ],[3 6],[6 正无穷]}

其中ec′论域中{ NB , NM , NS , ZO , PS ,PM ,PB}对应于{[负无穷 -0.06],[-0.06,-0.03],[-0.03 -0.01],[-0.01 0.01],[0.01 0.03 ],[0.03 0.06],[0.06 正无穷]}

其中Kp′论域中{ NB , NM , NS , ZO , PS ,PM ,PB}对应于{-10,-4 -2 0 2 4 10}

其中Ki′论域中{ NB , NM , NS , ZO , PS ,PM ,PB}对应于{-1,-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.1}

其中Kd′论域中{ NB , NM , NS , ZO , PS ,PM ,PB}对应于{-1,-0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.1}

通过模糊规则表得到ΔKp，ΔKi，ΔKd后，就可根据以上公式得到Kp，Ki，Kd，从而得到PID控制器的输出值，即得到所述散热风扇的相应转速实现相应的散热能力。

但是，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。

Claims

1.模糊PID算法在燃料电池散热系统中的应用，其特征在于：该燃料电池散热系统包括与燃料电池连接的水箱，该水箱通过循环水泵及相应的管道与散热器和散热风扇连接，一主控制器通过传感器采集燃料电池的数据信号传送给一风扇控制器，该风扇控制器控制所述散热风扇的转速，并通过模糊PID控制算法得出所述散热风扇的相应转速实现相应的散热能力，该模糊PID控制算法包括以下步骤：

采集当前采样时刻燃料电池的温度；

计算误差值e(k)和误差变化率ec(k),

e(k)=r(k)-y(k),ec(k)=（e(k)-e(k-1))/T,其中r(k)为燃料电池设定温度，y(k)为实际采集到的燃料电池的温度,其中，K为采样序号，T为采样时间；

将系统误差e 和误差变化率ec 变化范围定义为模糊集上的论域，其模糊子集为e , ec = { NB , NM , NS , ZO , PS ,PM ,PB}（这个跟前面的论域是什么关系，怎么得出的？前面有11个数字，这里是7个） , 子集中元素分别代表负大, 负中, 负小,零,正小,正中,正大，将e(k),ec(k)根据该模糊子集模糊化；

建立模糊规则表，得到针对不同的误差e和误差变化率ec所对应的ΔKp，ΔKi，ΔKd，并根据以下公式进行自适应校正,并计算Kp, Ki, Kd：

Kp = Kp′+ { e′ , ec′ }ΔKp

Ki = Ki′+ { e′ , ec′ }ΔKi

Kd = Kd′+ { e′ , ec′ }ΔKd

其中Kp′为上一个周期的Kp;

Ki′为上一个周期的Ki；

Kd′为上一个周期的Kd；

e′ 为上一个周期的误差变化;

ec′为上一个周期的误差变化率;

根据PID离散控制算法，计算PID控制器输出u(k) ,从而控制所述散热风扇的相应转速实现相应的散热能力，式中：k为采样序号，T为采样时间。

2.根据权利要求1所述的模糊PID算法在燃料电池散热系统中的应用，其特征在于：以上所述步骤4）中还包括将ΔKp ，ΔKi ，ΔKd变化范围定义为模糊集上的论域，其模糊子集ΔKp ，

ΔKi ，ΔKd = { NB , NM , NS , ZO , PS ,PM ,PB}（这个跟前面的论域是什么关系，怎么得出的？前面有11个数字，这里是7个） , 子集中元素分别代表负大, 负中, 负小,零,正小,正中,正大。

3.根据权利要求1或2所述的模糊PID算法在燃料电池散热系统中的应用，其特征在于：所述传感器包括温度传感器和电流传感器。