CN112632757A - 一种基于混合模糊控制的质子交换膜燃料电池的过氧量实时切换控制装置设计方法 - Google Patents

一种基于混合模糊控制的质子交换膜燃料电池的过氧量实时切换控制装置设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于混合模糊控制的质子交换膜燃料电池的过氧量实时切换控制装置设计方法，包括以下步骤：建立质子交换膜燃料电池系统模型；在所建模型下设计基于混合模糊控制的过氧量实时切换控制装置，包括模糊逻辑控制器、模糊PID控制器和切换装置；将基于混合模糊控制的过氧量实时切换控制装置应用于所建立的质子交换膜燃料电池系统模型中，并进行测试。本发明的切换装置可以根据对最优过氧量的跟踪误差，实时切换控制器，保证系统由最优控制器控制，从而达到期望的控制效果。一方面，可以提高过氧量的控制精度和响应速度；另外一方面，可以实现两种控制器的自由切换，达到控制目标，不再受传统控制器固定不变的限制。

Description

一种基于混合模糊控制的质子交换膜燃料电池的过氧量实时 切换控制装置设计方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别涉及一种基于混合模糊控制的质子交换膜燃料电池的过氧量实时切换控制装置设计方法。
背景技术
在实际的工业现场，对于质子交换膜燃料电池的控制精度要求很高，尤其是对过氧量的控制。因为过氧量是系统中非常重要的参数，它的大小不仅仅影响系统的效率，还影响着系统的安全。一般来说，当过氧量值小于1时，此时进入系统阴极的氧气量小于系统电堆反应的氧气量，导致系统在“空转”，系统便会出现“缺氧”和膜损坏等现象，严重威胁到系统的安全；但是当过氧量值远远大于1时，此时进入系统阴极的氧气量远远大于系统电堆反应的氧气量，导致压缩机等会消耗更多的功率，而系统电堆产生的总功率不变，进而导致系统的净功率下降，严重影响系统的效率。可见，对于过氧量的控制精度要求之高。而高精度的控制要求会给控制器的设计带来很大挑战。传统的控制器，比如，PID控制器，模型预测控制和滑模控制等，一方面对于过氧量的控制精度不高，响应时间较慢，在工业过程控制中存在着明显的时滞是不利于系统的安全和性能的；另外一方面，传统控制器一旦设计完成，那么在系统的整个运行周期内，只能由此控制器进行调节。而模糊控制则不同，模糊控制是基于专家经验的一种智能控制算法，对于非线性，时变系统有着较强的控制效果。从1965年美国加州大学伯克利分校Zadeh首次提出模糊集合理论，到1974年英国伦敦大学Mamdani首次将模糊控制器成功应用于蒸汽机的控制。之后的几十年里，模糊控制在理论和实践方面都取得了巨大的进步。在日常生活和过程控制等方面都有着广泛应用，在日常生活中，有模糊洗衣机，空调，地铁靠站停车等；在工业控制领域，有化学反应釜，伺服电液系统，加热炉的温度控制等。
模糊控制能够很好地解决质子交换膜燃料电池中过氧量控制精度不高，响应时间较慢，以及无法实现控制器的实时切换等问题。因此，本发明提出了一种基于混合模糊控制的质子交换膜燃料电池的过氧量实时切换控制装置设计方法，能够很好地解决上述问题。
发明内容
针对现有技术中存在的质子交换膜燃料电池存在的过氧量控制精度不高及其对系统安全和使用寿命的影响，本发明的目的是提供一种基于混合模糊控制的质子交换膜燃料电池的过氧量实时切换控制装置设计方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于混合模糊控制的质子交换膜燃料电池的过氧量实时切换控制装置设计方法，包括以下步骤：
步骤1，建立质子交换膜燃料电池系统模型；
步骤2，在步骤1所建模型下设计基于混合模糊控制的过氧量实时切换控制装置，包括模糊逻辑控制器、模糊PID控制器和切换装置；
步骤3，将步骤2设计的基于混合模糊控制的过氧量实时切换控制装置应用于步骤1所建立的质子交换膜燃料电池系统模型中，并进行测试。
所述步骤1中，建立的质子交换膜燃料电池系统模型如式(1.1)：
Figure BDA0002825776220000021
其中，x1为阴极压力，x2为氮气分压，x3为压缩机角速度，x4为供给歧管压力，μ为空压机电压，ξ为电堆电流；
Wcp,Wca,out分别代表压缩机的气体流率和阴极的气体流率，如式(1.2)和(1.3)所示：
Wcp＝b17x3 (1.2)
Figure BDA0002825776220000022
其中，kca,out为阴极出口常数，patm为大气压；
质子交换膜燃料电池系统的性能指标为过氧量，其数学表达式如式(1.4)所示：
Figure BDA0002825776220000031
其中，参数bi,i∈{1,…19}由以下公式计算得到：
Figure BDA0002825776220000032
b2＝psat
Figure BDA0002825776220000033
Figure BDA0002825776220000034
Figure BDA0002825776220000035
Figure BDA0002825776220000036
Figure BDA0002825776220000037
b11＝patm
Figure BDA0002825776220000038
Figure BDA0002825776220000039
Figure BDA00028257762200000310
Figure BDA00028257762200000311
b16＝ksm,out
Figure BDA00028257762200000312
Figure BDA00028257762200000313
Figure BDA00028257762200000314
其中，R为气体常数，Tfc为燃料电池温度，kca,in为阴极入口常数，
Figure BDA00028257762200000315
为氧气摩尔质量，Vca为阴极体积，
Figure BDA00028257762200000316
为氧气质量分数，ωca,in为阴极入口空气相对湿度，psat为水蒸气饱和压，n为电池数目，F为法拉第常数，
Figure BDA0002825776220000041
为氮气摩尔质量，ωatm为空气的相对湿度，f为电机摩擦力，Jcp为压缩机惯性，Cp为空气比热容，Tatm为大气温度，ηcp为压缩机效率，patm为大气压，γ为气体比热容比，ηcm为电机机械效率，kt为电机常数，Ma为空气摩尔质量，Vsm为供给歧管体积，ksm,out为供给歧管出口系数，Vcpr/tr为压缩机每匝容积，ρa为空气密度。
所述步骤2中，首先，设计模糊逻辑控制器，其由模糊化、模糊推理、模糊规则库和解模糊化四个部分组成；但是仅仅使用模糊逻辑控制器，系统会存在稳态误差，由于模糊PID控制器中存在积分环节，能够有效地降低系统的误差，所以，在模糊逻辑控制器的基础上，再设计模糊PID控制器，通过模糊推理实现PID参数的自调整；最后，设计实时切换控制装置，根据对最优过氧量的跟踪误差，来切换系统的控制器。
当系统的跟踪误差大于1时，系统由模糊逻辑控制器调节；反之，系统由模糊PID控制器调节。
所述步骤3中，基于MATLAB/SIMULINK仿真平台进行测试，得出过氧量的控制曲线，验证所设计的设计基于混合模糊控制的过氧量实时切换控制装置。
有益效果：本发明对质子交换膜燃料电池系统进行建模，在此基础上，设计一种由模糊逻辑控制器和模糊PID控制器组成的过氧量实时切换控制装置。其中，切换装置可以根据对最优过氧量的跟踪误差，实时切换控制器，保证系统由最优控制器控制，从而达到期望的控制效果。一方面，可以提高过氧量的控制精度和响应速度；另外一方面，可以实现两种控制器的自由切换，达到控制目标，不再受传统控制器固定不变的限制。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为基于混合模糊控制的质子交换膜燃料电池的过氧量实时切换控制装置图；
图3为模糊逻辑控制器的基本结构图；
图4为模糊PID控制器的基本结构图；
图5为基于混合模糊控制的过氧量响应图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，本发明的一种基于混合模糊控制的质子交换膜燃料电池的过氧量实时切换控制装置设计方法，包括如下步骤：
步骤1，建立质子交换膜燃料电池系统模型：
本发明中研究的四阶质子交换膜燃料电池系统模型，如式(1.1)所示，它是由九阶系统模型简化而来。此系统需要满足以下条件：1)有足够的压缩氢气；2)系统的反应气流满足理想气流定律；3)系统电堆中的水蒸气压力等于饱和压力。
Figure BDA0002825776220000051
式(1.1)中，x1为阴极压力，单位为Pa；x2为氮气分压，单位为Pa；x3为压缩机角速度，单位为rad/s；x4为供给歧管压力，单位为Pa；μ为空压机电压，单位为V；ξ为电堆电流，单位为A。
Wcp,Wca,out分别代表压缩机的气体流率和阴极的气体流率，如式(1.2)和(1.3)所示。
Wcp＝b17x3 (1.2)
Figure BDA0002825776220000052
其中，kca,out为阴极出口常数，patm为大气压；
质子交换膜燃料电池系统的性能指标为过氧量，其数学表达式如式(1.4)所示。
Figure BDA0002825776220000053
其中，参数bi,i∈{1,…19}，计算公式如表1：
表1
Figure BDA0002825776220000054
Figure BDA0002825776220000061
其中，表1中的变量释义如表2：
表2
Figure BDA0002825776220000062
Figure BDA0002825776220000071
本发明中，过氧量的最优值为2.05。
步骤2，基于混合模糊控制的过氧量实时切换控制装置设计：
对于系统(1.1)，设计基于混合模糊控制的过氧量实时切换控制装置，如图2所示，其由以下三个部分组成：模糊逻辑控制器、模糊PID控制器、切换装置，其中，模糊逻辑控制器和模糊PID控制器并联，切换装置接于模糊逻辑控制器和模糊PID控制器并联之间；
首先，这里采用模糊逻辑控制器，其结构如图3所示，它是由模糊化、模糊推理、模糊规则库和解模糊化四个部分组成，其中，模糊化、模糊推理、解模糊化依次相连，模糊推理与模糊规则库相连。模糊逻辑控制器最大的优点就是无需精确的系统数学模型，便可以对系统进行控制。但是仅仅使用模糊逻辑控制器，系统会存在稳态误差，这主要是因为传统的二维模糊逻辑控制器的输入是误差e和误差的导数
Figure BDA0002825776220000072
近似等价于PD控制器，缺少了积分控制，所以系统存在稳态误差。由于模糊PID控制器中存在积分环节，可以有效地降低系统的误差。所以，在模糊逻辑控制器的基础上，再设计模糊PID控制器，其结构如图4所示，通过模糊推理实现PID参数的自调整。二者结合可以有效地利用二者的优点，实现过氧量的高精度控制。最后，设计切换装置，根据对最优过氧量的跟踪误差，来切换系统的控制器。当系统的跟踪误差大于1时，系统由模糊逻辑控制器调节；反之，系统由模糊PID控制器调节。
步骤3，基于MATLAB/SIMULINK仿真测试
将步骤2设计的基于混合模糊控制的过氧量实时切换控制装置应用在系统(1.1)中，在MATLAB/SIMULINK仿真平台进行测试，得出过氧量的控制曲线，如图5所示，过氧量在本发明的控制方法下达到了很好的动态性能。过氧量的调节时间变短，上升时间变快，稳态误差变小。因此，本发明具有很好的工程应用价值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于混合模糊控制的质子交换膜燃料电池的过氧量实时切换控制装置设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，建立质子交换膜燃料电池系统模型；
步骤2，在步骤1所建模型下设计基于混合模糊控制的过氧量实时切换控制装置，包括模糊逻辑控制器、模糊PID控制器和切换装置；
步骤3，将步骤2设计的基于混合模糊控制的过氧量实时切换控制装置应用于步骤1所建立的质子交换膜燃料电池系统模型中，并进行测试。
2.根据权利要求1所述的基于混合模糊控制的质子交换膜燃料电池的过氧量实时切换控制装置设计方法，其特征在于：所述步骤1中，建立的质子交换膜燃料电池系统模型如式(1.1)：
Figure FDA0002825776210000011
其中，x1为阴极压力，x2为氮气分压，x3为压缩机角速度，x4为供给歧管压力，μ为空压机电压，ξ为电堆电流；
Wcp,Wca,out分别代表压缩机的气体流率和阴极的气体流率，如式(1.2)和(1.3)所示：
Wcp＝b17x3 (1.2)
Figure FDA0002825776210000012
其中，kca,out为阴极出口常数，patm为大气压；
质子交换膜燃料电池系统的性能指标为过氧量，其数学表达式如式(1.4)所示：
Figure FDA0002825776210000013
其中，参数bi,i∈{1,…19}由以下公式计算得到：
Figure FDA0002825776210000021
b2＝psat
Figure FDA0002825776210000022
Figure FDA0002825776210000023
Figure FDA0002825776210000024
Figure FDA0002825776210000025
Figure FDA0002825776210000026
b11＝patm
Figure FDA0002825776210000027
Figure FDA0002825776210000028
Figure FDA0002825776210000029
Figure FDA00028257762100000210
b16＝ksm,out
Figure FDA00028257762100000211
Figure FDA00028257762100000212
Figure FDA00028257762100000213
其中，R为气体常数，Tfc为燃料电池温度，kca,in为阴极入口常数，
Figure FDA00028257762100000214
为氧气摩尔质量，Vca为阴极体积，
Figure FDA00028257762100000215
为氧气质量分数，ωca,in为阴极入口空气相对湿度，psat为水蒸气饱和压，n为电池数目，F为法拉第常数，
Figure FDA00028257762100000216
为氮气摩尔质量，ωatm为空气的相对湿度，f为电机摩擦力，Jcp为压缩机惯性，Cp为空气比热容，Tatm为大气温度，ηcp为压缩机效率，patm为大气压，γ为气体比热容比，ηcm为电机机械效率，kt为电机常数，Ma为空气摩尔质量，Vsm为供给歧管体积，ksm,out为供给歧管出口系数，Vcpr/tr为压缩机每匝容积，ρa为空气密度。
3.根据权利要求2所述的基于混合模糊控制的质子交换膜燃料电池的过氧量实时切换控制装置设计方法，其特征在于：所述过氧量的取值为2.05。
4.根据权利要求1所述的基于混合模糊控制的质子交换膜燃料电池的过氧量实时切换控制装置设计方法，其特征在于：所述步骤2中，首先，设计模糊逻辑控制器，其由模糊化、模糊推理、模糊规则库和解模糊化四个部分组成；但是仅仅使用模糊逻辑控制器，系统会存在稳态误差，由于模糊PID控制器中存在积分环节，能够有效地降低系统的误差，所以，在模糊逻辑控制器的基础上，再设计模糊PID控制器，通过模糊推理实现PID参数的自调整；最后，设计实时切换控制装置，根据对最优过氧量的跟踪误差，来切换系统的控制器。
5.根据权利要求4所述的基于混合模糊控制的质子交换膜燃料电池的过氧量实时切换控制装置设计方法，其特征在于：当系统的跟踪误差大于1时，系统由模糊逻辑控制器调节；反之，系统由模糊PID控制器调节。
6.根据权利要求1所述的基于混合模糊控制的质子交换膜燃料电池的过氧量实时切换控制装置设计方法，其特征在于：所述步骤3中，基于MATLAB/SIMULINK仿真平台进行测试，得出过氧量的控制曲线，验证所设计的设计基于混合模糊控制的过氧量实时切换控制装置。
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