CN112963339A - 基于多模态pid的空压机转速控制方法、装置及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于多模态PID的空压机转速控制方法、装置及设备，方法包括：根据发动机的目标功率获取电堆的目标输出电流；根据所述目标输出电流查表获取目标入堆压力；根据目标入堆压力以及实际入堆压力计算获得当前入堆压力的误差，并根据所述当前入堆压力误差计算得到误差变化率；根据所述当前入堆压力的误差以及所述误差变化率判断当前工作模式，并根据所述当前工作模式采用对应的控制方式；其中，所述控制方式为微分控制、积分控制、比例控制中的一种或者多种；基于所述控制方式输出空压机转速控制信号。本发明的多模态PID控制策略可以改善燃料电池发动机转速控制响应时间慢、超调量大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池发动机领域，具体而言，涉及一种基于多模态PID的空压机转速控制方法、装置及设备。
背景技术
在燃料电池发动机系统中，空气系统的控制尤为重要，空气系统的控制主要通过空压机、进气节气门、出气节气门和旁通阀协调控制，对进气压力影响最大的就是空压机转速，所以对空压机转速的精准控制尤为重要。
目前的空气系统的主要控制方法主要有如下两种：
（1）通过系统标定查表对空压机转速进行开环控制。
（2）采用传统PID控制算法对空压机转速进行控制。
然而系统标定查表法无法获得精准控制效果，而传统PID控制算法响应时间过长，均无法满足实际的使用需求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于多模态PID的空压机转速控制方法、装置及设备，以改善上述问题。
本发明采用了如下方案：
一种基于多模态PID的空压机转速控制方法，其包括：
根据发动机的目标功率获取电堆的目标输出电流；
根据所述目标输出电流查表获取目标入堆压力；
根据目标入堆压力以及实际入堆压力计算获得当前入堆压力的误差，并根据所述当前入堆压力误差计算得到误差变化率；
根据所述当前入堆压力的误差以及所述误差变化率判断当前工作模式，并根据所述当前工作模式采用对应的控制方式；其中，所述控制方式为微分控制、积分控制、比例控制中的一种或者多种；
基于所述控制方式输出空压机转速控制信号。
优选地，所述当前入堆压力的误差e为目标入堆压力以及实际入堆压力的差，所述误差变化率de/dt为误差e的微分。
优选地，根据所述当前入堆压力误差以及所述误差变化率判断当前工作模式，并根据所述当前工作模式采用对应的控制方式，具体包括：
当误差绝对值|e|小于T且误差变化率小于-F时，判断系统处于二级制动模式，采用微分控制；
当误差绝对值|e|小于T且误差变化率大于-F时，系统处于位置学习模式，采用积分控制；
当误差绝对值|e|小于T且误差变化率大于0、小于F时，系统处于一级快速启动模式，采用比例控制；
当误差绝对值|e|小于T且误差变化率大于F时，系统处于二级快速启动模式，采用比例、积分、微分控制；
当误差绝对值|e|大于T且误差变化率小于-F时，系统处于一级制动模式，采用积分、微分控制；
当误差绝对值|e|大于T且误差变化率大于-F时，系统处于三级快速启动模式，采用比例、积分控制；
当误差绝对值|e|大于T且误差变化率大于0、小于F时，系统处于三级快速启动模式，采用比例、积分控制；
当误差绝对值|e|大于T且误差变化率大于F时，系统处于三级快速启动模式，采用比例、积分控制。
优选地，T和F为设定的经验值。
优选地，制动模式用于减缓误差e变为0的趋势；且制动模式的级数越高，减缓效果越强；
快速启动模式用于缩短系统误差变为0的时间，且快速启动模式的级数越高，缩短效果越明显；
学习模式表示当前的误差e较小，且误差变化率小于0，系统趋向于稳定。
本发明实施例还提供了一种基于多模态PID的空压机转速控制装置，其包括：
目标输出电流获取单元，用于根据发动机的目标功率获取电堆的目标输出电流；
目标入堆压力获取单元，用于根据所述目标输出电流查表获取目标入堆压力；
误差计算单元，用于根据目标入堆压力以及实际入堆压力计算获得当前入堆压力的误差，并根据所述当前入堆压力误差计算得到误差变化率；
控制单元，用于根据所述当前入堆压力的误差以及所述误差变化率判断当前工作模式，并根据所述当前工作模式采用对应的控制方式；其中，所述控制方式为微分控制、积分控制、比例控制中的一种或者多种；
信号输出单元，用于基于所述控制方式输出空压机转速控制信号。
优选地，所述当前入堆压力的误差e为目标入堆压力以及实际入堆压力的差，所述误差变化率de/dt为误差e的微分。
优选地，所述控制单元具体用于：
当误差绝对值|e|小于T且误差变化率小于-F时，判断系统处于二级制动模式，采用微分控制；
当误差绝对值|e|小于T且误差变化率大于-F时，系统处于位置学习模式，采用积分控制；
当误差绝对值|e|小于T且误差变化率大于0、小于F时，系统处于一级快速启动模式，采用比例控制；
当误差绝对值|e|小于T且误差变化率大于F时，系统处于二级快速启动模式，采用比例、积分、微分控制；
当误差绝对值|e|大于T且误差变化率小于-F时，系统处于一级制动模式，采用积分、微分控制；
当误差绝对值|e|大于T且误差变化率大于-F时，系统处于三级快速启动模式，采用比例、积分控制；
当误差绝对值|e|大于T且误差变化率大于0、小于F时，系统处于三级快速启动模式，采用比例、积分控制；
当误差绝对值|e|大于T且误差变化率大于F时，系统处于三级快速启动模式，采用比例、积分控制。
优选地，制动模式用于减缓误差e变为0的趋势；且制动模式的级数越高，减缓效果越强；
快速启动模式用于缩短系统误差变为0的时间，且快速启动模式的级数越高，缩短效果越明显；
学习模式表示当前的误差e较小，且误差变化率小于0，系统趋向于稳定。
本发明实施例还提供了一种基于多模态PID的空压机转速控制设备，其包括存储器以及处理器，所述存储器内存储有计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行，以实现如上述的空压机转速控制方法。
上述一个实施例中，根据当前入堆压力的误差以及所述误差变化率判断当前工作模式，并根据当前工作模式采用对应模态的PID控制方式，本实施例的多模态PID控制策略可以改善燃料电池发动机转速控制响应时间慢、超调量大的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明第一实施例的基于多模态PID的空压机转速控制方法的流程示意图。
图2为步骤S104的判断原理图。
图3是本发明第二实施例的基于多模态PID的空压机转速控制装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明第一实施例提供了一种基于多模态PID的空压机转速控制方法，其可由基于多模态PID的空压机转速控制设备（以下简称空压机转速控制设备）来执行，特别的，由所述空压机转速控制设备内的一个或者多个处理器来执行，以实现如下步骤：
S101，根据发动机的目标功率获取电堆的目标输出电流。
在本实施例中，特别的，所述发动机为燃料电池发动机，燃料电池发动机是一种将氢气和氧气通过电化学反应直接转化为电能的发电装置，其过程不涉及燃烧，无机械损耗，能量转化率高，产物仅为电、热和水，运行平稳，噪音低。
在本实施例中，相应的，所述空压机转速控制设备可以为具备有燃料电池发动机的各种设备，例如新能源汽车或者其他动力系统等，本发明不做具体限定。
在本实施例中，在获得发动机的目标功率后，可通过查表来获得电堆的目标输出电流Itar，当然，也可能通过其他方式来获取，这些方案均在发明的保护范围之内。
S102，根据所述目标输出电流查表获取目标入堆压力。
在本实施例中，类似的，在获得目标输出电流Itar后，同样可以通过查表来获得目标入堆压力Ptar。
S103，根据目标入堆压力以及实际入堆压力计算获得当前入堆压力的误差，并根据所述当前入堆压力误差计算得到误差变化率。
在本实施例中，所述当前入堆压力的误差e为目标入堆压力Ptar与实际入堆压力的差，所述误差变化率de/dt为误差e对时间的微分。
S104，根据所述当前入堆压力的误差以及所述误差变化率判断当前工作模式，并根据所述当前工作模式采用对应的控制方式；其中，所述控制方式为微分控制、积分控制、比例控制中的一种或者多种。
具体地，请一并参阅图2：
当误差绝对值|e|小于T且误差变化率小于-F时，判断系统处于二级制动模式，采用微分控制；
当误差绝对值|e|小于T且误差变化率大于-F时，系统处于位置学习模式，采用积分控制；
当误差绝对值|e|小于T且误差变化率大于0、小于F时，系统处于一级快速启动模式，采用比例控制；
当误差绝对值|e|小于T且误差变化率大于F时，系统处于二级快速启动模式，采用比例、积分、微分控制；
当误差绝对值|e|大于T且误差变化率小于-F时，系统处于一级制动模式，采用积分、微分控制；
当误差绝对值|e|大于T且误差变化率大于-F时，系统处于三级快速启动模式，采用比例、积分控制；
当误差绝对值|e|大于T且误差变化率大于0、小于F时，系统处于三级快速启动模式，采用比例、积分控制；
当误差绝对值|e|大于T且误差变化率大于F时，系统处于三级快速启动模式，采用比例、积分控制。
其中，在本实施例中，T和F为设定的经验值，对于不同的动力系统或者动力设备，可以根据实际的情况来设定不同的T和F的值，这些方案均在本发明的保护范围之内。
其中，PID即：Proportional（比例）、Integral（积分）、Differential（微分）的缩写。PID控制算法是结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制算法，它是连续系统中技术最为成熟、应用最为广泛的一种控制算法，适用于对被控对象模型了解不清楚的场合。实际运行的经验和理论的分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到比较满意的效果。PID控制的实质就是根据输入的偏差值，按照比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用以控制输出。
在本实施例中，制动模式用于减缓误差e变为0的趋势；且制动模式的级数越高，减缓效果越强。
例如，二级制动模式比一级制动模式的减缓效果强。因为微分控制的作用就是遏制系统超调量（可以理解为过量调节），提供当前系统需求的反向制动力，因此在制动模式下就需要采用微分控制的方式。
在本实施例中，快速启动模式用于缩短系统误差变为0的时间，且快速启动模式的级数越高，缩短效果越明显。
例如，二级快速启动模式缩短效果较一级快速启动模式明显，三级快速启动模式缩短效果较二级快速启动模式明显。当误差一致，误差变化率越大，越需要加快启动；当误差变化率一致，误差越大，越需要加快启动。
在本实施例中，学习模式表示当前的误差e较小，且误差变化率小于0，系统趋向于稳定。
其中，e较小，且误差变化率小于0，此时系统趋向于稳定，此处需使用积分控制微调系统，消除静态误差。
S105，基于所述控制方式输出空压机转速控制信号。
综上所述，本实施例根据当前入堆压力的误差以及所述误差变化率判断当前工作模式，并根据当前工作模式采用对应模态的PID控制方式，本实施例的多模态PID控制策略可以改善燃料电池发动机转速控制响应时间慢、超调量大的问题。
请参阅图3，本发明第二实施例还提供了一种基于多模态PID的空压机转速控制装置，其包括：
目标输出电流获取单元210，用于根据发动机的目标功率获取电堆的目标输出电流；
目标入堆压力获取单元220，用于根据所述目标输出电流查表获取目标入堆压力；
误差计算单元230，用于根据目标入堆压力以及实际入堆压力计算获得当前入堆压力的误差，并根据所述当前入堆压力误差计算得到误差变化率；
控制单元240，用于根据所述当前入堆压力的误差以及所述误差变化率判断当前工作模式，并根据所述当前工作模式采用对应的控制方式；其中，所述控制方式为微分控制、积分控制、比例控制中的一种或者多种；
信号输出单元250，用于基于所述控制方式输出空压机转速控制信号。
优选地，所述当前入堆压力的误差e为目标入堆压力以及实际入堆压力的差，所述误差变化率de/dt为误差e的微分。
优选地，所述控制单元240具体用于：
当误差绝对值|e|小于T且误差变化率小于-F时，判断系统处于二级制动模式，采用微分控制；
当误差绝对值|e|小于T且误差变化率大于-F时，系统处于位置学习模式，采用积分控制；
当误差绝对值|e|小于T且误差变化率大于0、小于F时，系统处于一级快速启动模式，采用比例控制；
当误差绝对值|e|小于T且误差变化率大于F时，系统处于二级快速启动模式，采用比例、积分、微分控制；
当误差绝对值|e|大于T且误差变化率小于-F时，系统处于一级制动模式，采用积分、微分控制；
当误差绝对值|e|大于T且误差变化率大于-F时，系统处于三级快速启动模式，采用比例、积分控制；
当误差绝对值|e|大于T且误差变化率大于0、小于F时，系统处于三级快速启动模式，采用比例、积分控制；
当误差绝对值|e|大于T且误差变化率大于F时，系统处于三级快速启动模式，采用比例、积分控制。
优选地，制动模式用于减缓误差e变为0的趋势；且制动模式的级数越高，减缓效果越强；
快速启动模式用于缩短系统误差变为0的时间，且快速启动模式的级数越高，缩短效果越明显；
学习模式表示当前的误差e较小，且误差变化率小于0，系统趋向于稳定。
本发明第三实施例还提供了一种基于多模态PID的空压机转速控制设备，其包括存储器以及处理器，所述存储器内存储有计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行，以实现如上述的空压机转速控制方法。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置和方法实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，电子设备，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于多模态PID的空压机转速控制方法，其特征在于，包括：
根据发动机的目标功率获取电堆的目标输出电流；
根据所述目标输出电流查表获取目标入堆压力；
根据目标入堆压力以及实际入堆压力计算获得当前入堆压力的误差，并根据所述当前入堆压力误差计算得到误差变化率；
根据所述当前入堆压力的误差以及所述误差变化率判断当前工作模式，并根据所述当前工作模式采用对应的控制方式；其中，所述控制方式为微分控制、积分控制、比例控制中的一种或者多种；
基于所述控制方式输出空压机转速控制信号。
2.根据权利要求1所述的空压机转速控制方法，其特征在于，所述当前入堆压力的误差e为目标入堆压力以及实际入堆压力的差，所述误差变化率de/dt为误差e的微分。
3.根据权利要求2所述的空压机转速控制方法，其特征在于，根据所述当前入堆压力误差以及所述误差变化率判断当前工作模式，并根据所述当前工作模式采用对应的控制方式，具体包括：
当误差绝对值|e|小于T且误差变化率小于-F时，判断系统处于二级制动模式，采用微分控制；
当误差绝对值|e|小于T且误差变化率大于-F时，系统处于位置学习模式，采用积分控制；
当误差绝对值|e|小于T且误差变化率大于0、小于F时，系统处于一级快速启动模式，采用比例控制；
当误差绝对值|e|小于T且误差变化率大于F时，系统处于二级快速启动模式，采用比例、积分、微分控制；
当误差绝对值|e|大于T且误差变化率小于-F时，系统处于一级制动模式，采用积分、微分控制；
当误差绝对值|e|大于T且误差变化率大于-F时，系统处于三级快速启动模式，采用比例、积分控制；
当误差绝对值|e|大于T且误差变化率大于0、小于F时，系统处于三级快速启动模式，采用比例、积分控制；
当误差绝对值|e|大于T且误差变化率大于F时，系统处于三级快速启动模式，采用比例、积分控制。
4.根据权利要求3所述的空压机转速控制方法，其特征在于，T和F为设定的经验值。
5.根据权利要求3所述的空压机转速控制方法，其特征在于，
制动模式用于减缓误差e变为0的趋势；且制动模式的级数越高，减缓效果越强；
快速启动模式用于缩短系统误差变为0的时间，且快速启动模式的级数越高，缩短效果越明显；
学习模式表示当前的误差e较小，且误差变化率小于0，系统趋向于稳定。
6.一种基于多模态PID的空压机转速控制装置，其特征在于，包括：
目标输出电流获取单元，用于根据发动机的目标功率获取电堆的目标输出电流；
目标入堆压力获取单元，用于根据所述目标输出电流查表获取目标入堆压力；
误差计算单元，用于根据目标入堆压力以及实际入堆压力计算获得当前入堆压力的误差，并根据所述当前入堆压力误差计算得到误差变化率；
控制单元，用于根据所述当前入堆压力的误差以及所述误差变化率判断当前工作模式，并根据所述当前工作模式采用对应的控制方式；其中，所述控制方式为微分控制、积分控制、比例控制中的一种或者多种；
信号输出单元，用于基于所述控制方式输出空压机转速控制信号。
7.根据权利要求6所述的空压机转速控制装置，其特征在于，所述当前入堆压力的误差e为目标入堆压力以及实际入堆压力的差，所述误差变化率de/dt为误差e的微分。
8.根据权利要求7所述的空压机转速控制装置，其特征在于，所述控制单元具体用于：
当误差绝对值|e|小于T且误差变化率小于-F时，判断系统处于二级制动模式，采用微分控制；
当误差绝对值|e|小于T且误差变化率大于-F时，系统处于位置学习模式，采用积分控制；
当误差绝对值|e|小于T且误差变化率大于0、小于F时，系统处于一级快速启动模式，采用比例控制；
当误差绝对值|e|小于T且误差变化率大于F时，系统处于二级快速启动模式，采用比例、积分、微分控制；
当误差绝对值|e|大于T且误差变化率小于-F时，系统处于一级制动模式，采用积分、微分控制；
当误差绝对值|e|大于T且误差变化率大于-F时，系统处于三级快速启动模式，采用比例、积分控制；
当误差绝对值|e|大于T且误差变化率大于0、小于F时，系统处于三级快速启动模式，采用比例、积分控制；
当误差绝对值|e|大于T且误差变化率大于F时，系统处于三级快速启动模式，采用比例、积分控制。
9.根据权利要求7所述的空压机转速控制装置，其特征在于，
制动模式用于减缓误差e变为0的趋势；且制动模式的级数越高，减缓效果越强；
快速启动模式用于缩短系统误差变为0的时间，且快速启动模式的级数越高，缩短效果越明显；
学习模式表示当前的误差e较小，且误差变化率小于0，系统趋向于稳定。
10.一种基于多模态PID的空压机转速控制设备，其特征在于，包括存储器以及处理器，所述存储器内存储有计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行，以实现如权利要求1至5任意一项所述的空压机转速控制方法。
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