CN111463455A - 一种sofc半实物模拟系统及其控制器开发方法 - Google Patents

一种sofc半实物模拟系统及其控制器开发方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种SOFC半实物模拟系统及其控制器开发方法，属于燃料电池技术领域。包括SOFC热电特性仿真单元、控制单元、传感器单元和SOFC电特性模拟单元，SOFC热电特性仿真单元模拟实际系统的温度与功率状态，然后通过传感器单元将电特性数据发送给控制单元与可控电源，控制单元实现对系统输入燃料的控制，可控电源实现对SOFC功率输出特性的实际模拟。本发明采用一种半实物的方式模拟SOFC的电特性输出，整个系统既可作为SOFC的控制算法验证平台，也可作为独立的SOFC实物系统模拟供电。本发明能有效降低在SOFC算法测试的危险性和成本，并且能够快速进行控制算法的调整与优化，大大减少了SOFC控制算法开发时间和开发成本。

Description

一种SOFC半实物模拟系统及其控制器开发方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，更具体地，涉及一种SOFC半实物模拟系统及其控制器开发方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种将燃料中的化学能直接转换为电能的发电装置，与传统通过燃烧推动发电机转动而发电相比，SOFC不需要将化学能转化为机械能这一中间过程，没有机械转动等环节，因此SOFC发电有着高能量利用率、无污染、安静等优点，是新能源中的重要部分。由于SOFC的突出优点，各国特别是发达国家对SOFC技术投入了大量的人力物力，目前我国在SOFC投入也越来越多。
SOFC的研究有着研发周期长、成本高、风险高等特点，对于SOFC的研究，目前国内还未实现商业化，尚处于研究阶段。同时国内对于SOFC的研究有很大一部分是对SOFC电堆材料的研究，而对于SOFC控制算法的研究目前暂时处于起步阶段，其中主要的原因是：SOFC系统中温度约束较多，主要有最大PEN工作温度、最大PEN温度梯度、最大电堆入口气体温差、最大燃烧室温度，而SOFC系统为非线性热电耦合的复杂系统，想要实现稳定的控制较为复杂，如果直接在真实系统上进行控制算法的研究，一旦系统的温度超过温度约束，系统就可能损坏，这将带来非常大的经济损失并且耽误算法的研究工作；并且，对于一个SOFC系统来说，其循环次数是有限的，这使得系统不能无限次的进行控制算法的验证。
同时国内SOFC的应用的研究也较为缓慢，这其中SOFC整套发电设备价格昂贵也是重要的原因，由于没有实际设备，具体的应用效果难以评估，为此需要一种经济又有效的实验方式。为了降低SOFC研究的成本，半实物方法是一种较为合理并且有效的方法。目前国内大部分使用的半实物设备为dspace、speedgoat，但是这些设备的成本非常高，通常一台设备的价格在十几万到几十万，这对于从事SOFC算法研究而资金又较为紧张的实验室来说是一笔巨大的开销，因此需要找到一种高效而且成本较低的半实物仿真方法。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种SOFC半实物模拟系统及其控制器开发方法，旨在解决SOFC控制器开发成本高昂的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种SOFC半实物模拟系统，包括SOFC热电特性仿真单元、控制单元、传感器单元和SOFC电特性模拟单元；
所述SOFC热电特性仿真单元包括电堆模块、热交换器模块和燃烧室模块，用于模拟实际SOFC系统运行，产生热电数据；
所述控制单元实时采样负载功率变化，利用SOFC控制算法处理得到相应的控制信号，并将所述控制信号输出至所述传感器单元；
所述传感器单元包括电压测量接口与电压输出接口，用于实时采集所述SOFC热电特性仿真单元的电数据通过电压输出接口传输至所述SOFC电特性模拟单元，以及将所述控制信号通过电压测量接口输入所述SOFC热电特性仿真单元；
所述SOFC电特性模拟单元包括可控电源，用于实现SOFC的实际功率输出。
进一步地，所述控制单元包括主处理器、高精度电压采集模块、高精度电流采集模块、CAN通信模块和高精度电压输出模块。
进一步地，所述SOFC热电特性仿真单元根据SOFC实物系统样机进行物理建模，并通过实验数据对SOFC模型进行验证，将验证好的SOFC模型运行在PC机上。
进一步地，所述SOFC模型基于Simulink中的Desktop RealTime平台建立。
进一步地，所述传感器单元为PCI数据采集卡。
本发明还提供了一种基于上述SOFC半实物模拟系统的控制器开发方法，包括以下步骤：
S1、在纯仿真条件下运行所设计的控制算法，观察控制算法的控制效果，如果控制算法的控制效果达到要求进行下一步操作，否则继续在纯仿真条件下调整控制算法；
S2、将控制算法和SOFC控制对象分离，将控制算法保存为一个单独的模型，并对控制算法进行离散化处理，设置相应的目标控制器参数；
S3、对控制算法的采样接口和输出接口进行处理，根据目标控制板类型制作相应的接口模块，将接口模块添加到控制算法模型中；
S4、利用所述控制算法模型生成相应目标控制板可运行的代码，并且下载到目标控制板中；
S5、将目标控制板分别与传感器单元和负载连接，通过所述SOFC半实物模拟系统的运行以实际验证控制器的控制效果。
所述步骤S3中制作相应的接口模块包括：
(1)对目标控制板进行评估，判断所述目标控制板的接口能否满足所述控制算法接口的需要，如果能满足则进行下一步，否则更换目标控制板或者改进控制算法；
(2)对所需接口在相应目标控制板的开发软件中写好接口的配置文件，将每个接口保存成不同的.c以及其.h头文件；
(3)将配置文件封装成SIMULINK中的模块，并且将编写完成的模块添加到SIMULINK的系统库中；
(4)从SIMULINK库中将写好的配置文件添加到算法模型相应的接口上。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)经济安全：对于SOFC控制器的验证不必直接进行危险、昂贵的实物实验，可利用本发明进行实物实验前的验证，避免了不必要的损失；
(2)实时性：本发明通过利用Simulink的Desktop RealTime平台使得普通PC机能释放其大部分计算能力，在降低硬件成本的同时满足了半实物仿真实时性的需求，能用于快速开发SOFC控制器，并且能验证算法控制效果；
(3)复用性：本发明中的SOFC半实物模拟系统不但可用于SOFC控制器的开发，而且控制器验证完成后还可以将包含控制器的整个模拟系统作为一个独立的供电设备，进行相关的混合供电研究。
附图说明
图1是本发明的SOFC半实物模拟系统结构图；
图2是SOFC控制器开发流程图；
图3是SOFC半实物模拟系统作为独立电源模式的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的一种SOFC半实物模拟系统，能避免在算法开发验证中由于直接作用于真实系统而带来的危险以及巨大的经济损失，同时能快速实现算法的调试以及控制器的开发，不需要进行代码的手动修改，只需在通过算法模型中修改相应的参数以及控制逻辑，就可以调整相应的控制算法，大大提高了SOFC控制器的开发速度。Simulink近年来所开发的Desktop RealTime平台能将普通PC机的计算能力释放，满足了半实物仿真实时性的需求，下面基于Simulink平台为例详细介绍本发明的具体实施方式。
图1所示为本发明实施例提供的一种SOFC半实物模拟系统的结构示意图。系统包括SOFC热电特性仿真单元100、控制单元200、传感器单元300和SOFC电特性模拟单元400。
SOFC热电特性仿真单元100将SOFC模型运行在PC机上，模拟实际SOFC系统运行，产生电堆温度、燃烧室温度、换热器温度、电堆电压电流等热电数据。SOFC模型基于Simulink中的Desktop RealTime平台，根据实物系统样机进行物理建模，包括电堆模块、热交换器模块和燃烧室模块，并通过实验数据对模型进行验证，使得SOFC系统模型在相同输入条件下其输出能与实际系统基本一致。
控制单元200包括控制器，通过A/D实时采样负载功率变化，利用控制器含有的SOFC控制算法处理得到相应的控制信号，并通过D/A将所述控制信号输出至传感器单元300。
传感器单元300包括电压测量接口与电压输出接口，能将模拟量转化为数字量，也能将数字量转为模拟量，用于实时采集SOFC热电特性仿真单元100的数据通过电压输出接口传输至SOFC电特性模拟单元400，以及将来自控制器200的控制信号通过电压测量接口输入SOFC热电特性仿真单元100。
优选地，传感器单元300为PCI数据采集卡，该卡有与PC机通信的PCI接口、AD采样接口和DC输出接口。
SOFC电特性模拟单元400包括可控电源，用于实现SOFC的实际功率输出。通过上述的传感器单元300将SOFC模型的数字信号转换为电信号通过DC接口输出，然后利用可控电源模拟真实SOFC系统的电特性输出。
平台运作过程为：负载500发生变化时，将被控制单元200检测到，控制单元200根据负载500的功率需求通过SOFC控制算法计算得出相应的控制参数，将这些参数传给传感器单元300，传感器单元300通过数模转换，将模拟信号转化为数字信号传给SOFC热电特性仿真单元100，SOFC热电特性仿真单元100根据传来的控制信号做出相应的响应，同时通过传感器单元300将响应的数字信号转换为模拟信号，这些模拟信号再通过电特性模拟单元400进行放大，仿真实际SOFC电特性输出给负载500。通过观察通过PC上SOFC模型的scope来观察SOFC的功率输出是否跟踪到负载需求，各组件的温度是否满足温度约束，来验证算法的控制效果。
为了能更加精确仿真真实系统，SOFC模型必须要实时运行。本发明使用SIMULINK的desktop real time工具箱并使得模型运行在Accelerator模式，加速模型运行，经验证，该方法能满足SOFC实时性需求，从而能够模拟真实系统输出。
控制单元200中的控制器可以根据需要更换，如果算法运算量大可以选用运算能力更强的控制器，更快速的实现SOFC控制器的开发；而控制器中的SOFC控制算法也不局限于一种，也可以根据需要进行更换，这使得系统能验证不同的SOFC控制算法。
图2为SOFC控制器开发流程图。首先是对控制算法的搭建，在算法搭建完成后，在纯仿真条件下进行测试，其是否达到控制效果，如果没有就对算法进行调整，如果达到了，将算法和控制对象分离，将算法保存为独立的模型并且对其离散化，为离散化的算法模型添加所需要的接口模块。在完成控制算法模型后，将其生成代码下载到目标控制器中，之后进行半实物验证，所谓半实物验证就是运行整个平台，观察在目标控制器中的算法是否能让SOFC模型安全稳定输出，如果功率能跟踪上负载需求，并且SOFC满足温度约束，这说明该控制算法和控制器是有效的，这时验证结束，相反如果没有控制住就可以直接在算法模型中调整算法，重新生成代码下载入控制器中，再次进行验证，直到算法满足要求。
具体地，SOFC半实物模拟系统的控制器开发方法包括以下步骤：
S1、在纯仿真条件下运行所设计的控制算法，观察控制算法的控制效果，如果控制算法的控制效果达到要求进行下一步操作，否则继续在纯仿真条件下调整控制算法；
S2、将控制算法和SOFC控制对象分离，将控制算法保存为一个单独的模型，并对控制算法进行离散化处理，设置相应的目标控制器参数；
S3、对控制算法的采样接口和输出接口进行处理，根据目标控制板类型制作相应的接口模块，将接口模块添加到控制算法模型中；
S4、利用所述控制算法模型生成相应目标控制板可运行的代码，并且下载到目标控制板中；
S5、将目标控制板分别与传感器单元和负载连接，通过所述SOFC半实物模拟系统的运行以实际验证控制器的控制效果。
步骤S3中，接口模块制作过程包括：
(1)对目标控制板进行评估，判断所述目标控制板的接口能否满足所述控制算法接口的需要，如果能满足则进行下一步，否则更换目标控制板或者改进控制算法；
(2)对所需接口在相应目标控制板的开发软件中写好接口的配置文件，将每个接口保存成不同的.c以及其.h头文件；
(3)将配置文件封装成SIMULINK中的模块，并且将编写完成的模块添加到SIMULINK的系统库中；
(4)从SIMULINK库中将写好的配置文件添加到算法模型相应的接口上。
图3为系统作为独立电源模式的结构示意图，中间部分为系统示意图，左边为系统控制器通过CAN通信将系统的信息传给外界的上位机或者是其他控制器600。右边部分为负载500，功率从电特性模拟单元400输出。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种SOFC半实物模拟系统，其特征在于，包括SOFC热电特性仿真单元、控制单元、传感器单元和SOFC电特性模拟单元；
所述SOFC热电特性仿真单元包括电堆模块、热交换器模块和燃烧室模块，用于模拟实际SOFC系统运行，产生热电数据；
所述控制单元实时采样负载功率变化，利用SOFC控制算法处理得到相应的控制信号，并将所述控制信号输出至所述传感器单元；
所述传感器单元包括电压测量接口与电压输出接口，用于实时采集所述SOFC热电特性仿真单元的电数据通过电压输出接口传输至所述SOFC电特性模拟单元，以及将所述控制信号通过电压测量接口输入所述SOFC热电特性仿真单元；
所述SOFC电特性模拟单元包括可控电源，用于实现SOFC的实际功率输出。
2.如权利要求1所述的SOFC半实物模拟系统，其特征在于，所述控制单元包括主处理器、高精度电压采集模块、高精度电流采集模块、CAN通信模块和高精度电压输出模块。
3.如权利要求1所述的SOFC半实物模拟系统，其特征在于，所述SOFC热电特性仿真单元根据SOFC实物系统样机进行物理建模，并通过实验数据对SOFC模型进行验证，将验证好的SOFC模型运行在PC机上。
4.如权利要求3所述的SOFC半实物模拟系统，其特征在于，所述SOFC模型基于Simulink中的Desktop RealTime平台建立。
5.如权利要求2或3所述的SOFC半实物模拟系统，其特征在于，所述传感器单元为PCI数据采集卡。
6.一种基于权利要求1-5任一项所述SOFC半实物模拟系统的控制器开发方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在纯仿真条件下运行所设计的控制算法，观察控制算法的控制效果，如果控制算法的控制效果达到要求进行下一步操作，否则继续在纯仿真条件下调整控制算法；
S2、将控制算法和SOFC控制对象分离，将控制算法保存为一个单独的模型，并对控制算法进行离散化处理，设置相应的目标控制器参数；
S3、对控制算法的采样接口和输出接口进行处理，根据目标控制板类型制作相应的接口模块，将接口模块添加到控制算法模型中；
S4、利用所述控制算法模型生成相应目标控制板可运行的代码，并且下载到目标控制板中；
S5、将目标控制板分别与传感器单元和负载连接，通过所述SOFC半实物模拟系统的运行以实际验证控制器的控制效果。
7.如权利要求6所述的控制器开发方法，其特征在于，所述步骤S3中制作相应的接口模块包括：
(1)对目标控制板进行评估，判断所述目标控制板的接口能否满足所述控制算法接口的需要，如果能满足则进行下一步，否则更换目标控制板或者改进控制算法；
(2)对所需接口在相应目标控制板的开发软件中写好接口的配置文件，将每个接口保存成不同的.c以及其.h头文件；
(3)将配置文件封装成SIMULINK中的模块，并且将编写完成的模块添加到SIMULINK的系统库中；
(4)从SIUULINK库中将写好的配置文件添加到算法模型相应的接口上。
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