CN113659177A - 一种燃料电池测试台加湿装置与基于迭代学习的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃料电池加湿技术领域，具体涉及了一种燃料电池测试台加湿装置与基于迭代学习的控制方法。包括湿度设定步骤：设定气体湿度的理想轨迹和检测周期；气体通入步骤：将气体通入加湿装置；湿度检测步骤：实时检测加湿后的气体的湿度，生成一个检测周期内的气体湿度的实际轨迹；迭代学习步骤：根据气体湿度的理想轨迹和实际轨迹，进行迭代学习，通过改变加湿水液位高度，使实际轨迹趋近于理想轨迹。对气体加湿进行精确快速的调节。

Description

一种燃料电池测试台加湿装置与基于迭代学习的控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池加湿技术领域，具体涉及了一种燃料电池测试台加湿装置与基于迭代学习的控制方法。
背景技术
燃料电池是一种将反应物(燃料和氧化剂)的化学能直接转化为电能的电化学装置。对于选用氢气作为燃料的燃料电池，电化学反应的产物只有水和热，近年来燃料电池受到研究机构和企业的广泛关注，其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)因为比其他燃料电池具有更高的功率密度和更快的启动速度，已经成为研究的焦点。为了电池有良好的性能和耐久性，PEMFC中的膜必须进行水合，其中一部分水合作用是通过阴极的生成水向阳极传输来实现的，然而单一的水传输作用会导致水的分布不均，因此为了保证膜内含水量分布的均匀性，通常需要在将反应气体送入燃料电池之间通过加湿器对其进行加湿。
目前存在的燃料电池加湿技术主要有鼓泡加湿、喷淋加湿与膜加湿。鼓泡加湿由于加湿水存在热容，因此升温降温过程比较慢，无法实现加湿后气体湿度的快速调节。对于喷淋加湿方式，加湿水在气体中以液滴的形式存在，气液两相分配不均，可能引起电堆水淹。使用出电堆气体加湿进电堆气体的膜加湿方式，不能主动精确地调节入堆气体湿度，并且在流量突然改变时，湿度调节存在滞后，膜加湿方式不能满足加湿快速性要求。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种燃料电池测试系统加湿装置与基于迭代学习的控制方法，能够对气体湿度快速精准地进行控制。
本发明提供的基础方案：一种燃料电池测试台加湿装置的基于迭代学习的控制方法，包括以下步骤：
湿度设定步骤：设定气体经加湿后湿度的理想轨迹和检测周期；
气体通入步骤：将气体通入加湿装置；
湿度检测步骤：实时检测加湿后的气体的湿度，生成一个检测周期内的气体湿度的实际轨迹；
迭代学习步骤：根据气体湿度的理想轨迹和实际轨迹，进行迭代学习，通过改变加湿水液位高度，使实际轨迹趋近于理想轨迹。
本发明的原理及优点在于：在通入气体前，设定对气体湿度控制的理想轨迹和检测周期，将气体通入加湿装置后，检测出加湿后的气体的湿度，并生成其在该检测周期内的气体湿度的实际轨迹，根据设定的理想轨迹和检测的实际轨迹，进行迭代学习，改变加湿器中的加湿水液位，使实际轨迹趋近于实际轨迹。相比于现有技术，根据理想轨迹与实际轨迹之间的偏差，不断进行调整，经有限次迭代学习，使湿度的实际轨迹接近理想轨迹，从而对气体加湿进行精确快速的调节，并且不用依赖精确的数学模型。
进一步，所述迭代学习步骤包括以下步骤：
S1：给定以加湿水液位高度为控制量的初始控制律；
S2：在一个检测周期内进行一次迭代学习，重复迭代学习过程，更新控制律，并预设有终止条件，当设定轨迹与实际轨迹之差满足终止条件时，停止迭代学习。
给定液位高度的初始控制律，在迭代学习中对控制律进行修正，满足终止条件时停止迭代学习，达到对湿度快速精确控制的目的。
进一步，所述S2包括以下步骤：
S2-1：根据液位高度的初始控制律，改变加湿装置中的加湿液的液位；
S2-2：检测该周期内的气体的湿度，生成该检测周期内的气体湿度的实际轨迹；
S2-3：根据该周期的气体湿度的实际轨迹和理想轨迹的差值，对本次检测周期的控制律进行修正，将修正后的控制律作为下一周期的控制律；
S2-4：重复步骤S2-1至S2-3，直至检测到的气体湿度的实际轨迹与理想轨迹之差满足终止条件，停止迭代学习，得到训练好的控制律。
在每一个检测周期根据上一次修正后的控制律控制加湿液的液位，将每一次检测到的实际轨迹与理想轨迹进行比较，对控制律进行修正后作为下一检测周期的控制律，直至满足终止条件，进过有限次的迭代学习得到最终训练好的控制律，使输出的气体的湿度接近理想轨迹。
进一步，还包括以下步骤：
S3：记录步骤S2结束后训练好的控制律以及该控制律所对应的气体湿度理想轨迹；
所述湿度设定步骤还包括以下步骤：
S1：检测是否记录有与设定的理想轨迹相同的理想轨迹；
S2：若有则直接调用该理想轨迹已训练好的控制律。
当实际轨迹与理想轨迹满足终止条件后，迭代学习完成，此时经迭代学习后的液位控制律能满足输出的气体湿度需求，将训练好的控制律与设定的理想轨迹进行记录，当之后有设定与记录的理想轨迹相同的理想轨迹时，直接调用训练好的控制律即可，无需再次进行学习。
进一步，还包括以下步骤：
温度检测步骤：检测加湿装置中加湿水的温度；
温度控制步骤：根据预设的温度设定值和所检测到的加湿水的温度，对加湿水的温度进行调控，使加湿水温度趋近于温度设定值。
检测加湿水的温度，并根据预设的温度设定值对加湿水的温度进行调控，保证通入气体后加湿水的温度趋近于温度设定值，提高加被加湿气体的湿度响应速率。
一种燃料电池测试台加湿装置，使用了上述一种燃料电池测试台加湿装置的基于迭代学习的控制方法，包括鼓泡加湿器、温度传感器、液位传感器、湿度传感器、温度控制装置、液位控制装置以及控制器，所述鼓泡加湿器内设有加湿水；
所述温度传感器的输出端与控制器的输入端电连接，用于检测鼓泡加湿器中加湿水的温度并发送给控制器，所述温度控制装置的输入端与控制器的输出端电连接，用于根据控制器的反馈信息控制鼓泡加湿器中的加湿水温度；
所述液位传感器的输出端与控制器的输入端电连接，用于检测鼓泡加湿器中加湿水的液位高度，并发送给控制器；
所述湿度传感器的输出端与控制器的输入端电连接，用于检测经加湿后的气体湿度，并发送给控制器；
还包括被配置成存储计算机可执行指令的存储器，所述存储器与控制器电连接，所述计算机可执行指令在被执行时使所述控制器实现上述的一种燃料电池测试台加湿装置的基于迭代学习的控制方法；
所述液位控制装置用于根据控制器的反馈信息，调节鼓泡加湿器中的加湿水的液位。
当需要对气体加湿时，将气体通入鼓泡加湿器，温度传感器实时检测加湿水的温度，并发送给控制器，控制器将检测到的温度与设定的温度进行比较，通过温度控制装置调控鼓泡加湿器中的加湿水温度。湿度传感器实时检测经加湿后的气体的湿度，并将湿度上传至控制器。控制器电连接有被配置成存储计算机可执行指令的存储器，计算机可执行指令在被执行时使控制器实现上述的一种燃料电池测试台加湿装置的基于迭代学习的控制方法，给出液位的控制量，控制器控制液位控制装置对鼓泡加湿器中的加湿水液位进行调控，并通过液位传感器检测液位调控是否达到了控制器所给出的控制量。相比于现有技术，经过有限次迭代学习，使最终湿度实际调节过程的检测轨迹接近理想轨迹，达到湿度快速精确控制的目的。
进一步，所述温度控制器包括与鼓泡加湿器连通的水泵、电加热器、风冷换热器，形成温度控制回路，所述水泵用于将加湿水泵入温度控制回路，所述电加热器用于为加湿水加热，所述风冷换热器用于为加湿水降温；
所述控制器在加湿水需要升温时，控制电加热器开启，风冷换热器关闭，在加湿水需要降温时，控制电加热器关闭，风冷换热器开启。
通过水泵将加湿水泵入温度控制回路，从而对加湿水进行加热或降温。控制器根据检测到的温度和温度设定值，对加湿水温度进行调控，若检测温度低于设定温度，则只控制电加热器开启，对加湿水加热，若检测温度高于设定温度，则只控制风冷换热器开启，对加湿水降温。从而保证通入气体的过程中，加湿水的温度趋近温度设定值，提高加被加湿气体的湿度响应速率。
进一步，所述液位控制装置包括排水装置和补水装置，所述排水装置与鼓泡加湿器底部连通，设有排水电磁阀；所述补水装置包括与鼓泡加湿器连通的储水水箱，并设有补水电磁阀；
所述控制器，在需要加湿水液位降低时控制排水电磁阀开启，补水电磁阀关闭，在需要加湿水液位上升时，控制排水电磁阀关闭，补水电磁阀开启。
当需要加湿水的液位下降时，控制器控制排水电磁阀开启，补水电磁阀关闭，鼓泡加湿器中的加湿水被排出，加湿水液位下降。当需要加湿水的液位上升时，控制排水电磁阀关闭，补水电磁阀开启，储水水箱中的加湿水流入鼓泡加湿器，加湿水液位上升。
进一步，还包括气体质量流量控制器和气体分布器。
控制通入气体的质量和流量。
附图说明
图1为本发明实施例一种燃料电池测试台加湿装置的示意图；
图2为本发明实施例基于迭代学习的控制方法的流程示意图；
图3为本发明实施例中迭代学习控制方法的效果示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的标记包括：气体源1、气体质量流量控制器2、鼓泡加湿器3、气体分布器4、温度传感器5、液位传感器6、湿度传感器7、电堆进气口8、储水水箱9、补水电磁阀10、排水电磁阀11、水泵12、电加热器13、风冷散热器14。
实施例基本如附图1所示：气体源1与鼓泡加湿器3连通，气体源1和鼓泡加湿器3中间设有气体质量流量控制器2和气体分布器4，鼓泡加湿器3中装有加湿水，鼓泡加湿器3上设有温度传感器5、液位传感器6，温度传感器5用于检测鼓泡加湿器3中的加湿水温度，液位传感器6用于检测鼓泡加湿器3中的加湿水的液位高度。鼓泡加湿器3的侧壁上还连通有温度控制装置，温度控制装置包括水泵12、电加热器13、风冷散热器14，形成温度控制回路。鼓泡加湿器3还连通有液位控制装置，液位控制装置包括补水装置和排水装置，补水装置包括与鼓泡加湿器3连通的储水水箱9，储水水箱9中装有加湿水，储水水箱9和鼓泡加湿器3中间设有补水电磁阀10。排水装置连通在鼓泡加湿器3底部，设有排水电磁阀11。鼓泡加湿的出口处设有湿度传感器7，气体加湿后从电堆进气口8进入燃料电池。
还包括有控制器，以及与控制器电连接的被配置成计算机可执行指令的存储器。控制器的输入端与温度传感器5、液位传感器6、湿度传感器的输出端电连接，用于接收所检测到的加湿水的温度、液位以及经加湿后的气体的湿度。
控制器的输出端与温度控制装置电连接，控制器内置有预设的温度设定值，在通入气体的过程中，控制器实时接收温度传感器5所上传的检测到的温度，根据检测温度与温度设定值比较，当检测温度小于温度设定值，控制电加热器13开启，对被水泵12泵入温度控制回路的加湿水进行加热。当检测温度大于温度设定值，控制风冷散热器14开启，对被水泵12泵入温度控制回路的加湿水降温。
控制器的输出端还与液位控制装置电连接，在需要鼓泡加湿器3中的液位下降时，控制排水电磁阀11开启，补水电磁阀10关闭。当需要鼓泡加湿器3中的液位上升时，控制排水电磁阀11关闭，补水电磁阀10开启。
湿度传感器实时检测经加湿后的气体的湿度，并上传给控制器，控制器执行存储器存储的计算机可执行指令，给出对液位调整的控制量，通过液位控制装置对鼓泡加湿器3中的加湿水液位进行调整。
其中，所述计算机可执行指令在被执行时，使控制器实现一种燃料电池测试台加湿装置的基于迭代学习的控制方法，该方法大致如图2所示，包括以下内容：
湿度设定步骤：设定气体湿度的理想轨迹和检测周期；
具体的，在使用装置前，根据被测对象对湿度控制精度和动态特性的要求，确定湿度响应的理想轨迹，在本实施例中，要求被加湿气体湿度在10s内达到新的设定值，则一种可能的过度过程理想轨迹是相位为0，周期小于40s的1/4正弦曲线。
气体通入步骤：将气体通入加湿装置；
将气体从气体源1通入加湿装置，在本实例中，通入的气体为氢气或空气中的一种；
湿度检测步骤：实时检测加湿后的气体的湿度，生成一个检测周期内的气体湿度的实际轨迹；
根据湿度传感器所检测到的湿度，生成一个检测周期内的气体湿度的实际轨迹。
迭代学习步骤：根据气体湿度的理想轨迹和实际轨迹，进行迭代学习，通过改变加湿水液位高度，使实际轨迹趋近于理想轨迹。
迭代学习步骤具体包括以下步骤：
S1：给定以加湿水液位高度为控制量的初始控制律；
具体的，在开始迭代学习之前，需要给定一个以加湿水液位高度为控制量的初始控制律，即给定迭代学习的一个初始条件。一个优选的初始控制律是控制量给定一个阶跃信号，具体数值根据前期实验标准或理论计算获得。
S2-1：根据液位高度的初始控制律，改变加湿装置中的加湿液的液位；
S2-2：检测该周期内的气体的湿度，生成该检测周期内的气体湿度的实际轨迹；
S2-3：根据该周期的气体湿度的实际轨迹和理想轨迹的差值，对本次检测周期的控制律进行修正，将修正后的控制律作为下一周期的控制律；
具体的，根据所给定的液位高度控制律，通过开关补水电磁阀10或排水电磁阀11的开关，控制鼓泡加湿器3中的加湿水的液位。记录下湿度传感器7所检测到的经加湿后的气体湿度的实际轨迹，根据实际轨迹与理想轨迹的差值，控制律进行修正，作为下一检测周期的控制律，如此反复迭代，直至实际轨迹与理想轨迹之差满足终止条件为止。控制律的迭代学习更新公式如下：
uk+1(t)＝uk(t)+U(ek9t),t)
其中，uk(t)表示第K个动作周期内的t时刻的控制量，U(ek(t),t)为第K次学习的学习律，其中理想轨迹与实际轨迹输出之差为：
ek(t)＝yd(t)-yk(t)
其中，yd(t)表示第K个动作周期内t时刻的理想轨迹，yk(t)表示第K个动作周期内t时刻的实际轨迹。通过两者差值ek(t)进行迭代学习，对控制律进行修正，一个优选的学习律为PID型学习律，具体形式如下：
Figure BDA0003225611610000071
其中，Kp、Ki、Kd分别为比例项、积分项和微分项的系数。
S2-4：重复步骤S2-1至S2-3，直至检测到的气体湿度的实际轨迹与理想轨迹之差满足终止条件，停止迭代学习，得到训练好的控制律。
经过有限次的迭代学习，最终确定出一个实际轨迹与理想轨迹非常接近的控制律。
S3：记录步骤S2结束后训练好的控制律以及该控制律所对应的气体湿度理想轨迹；
所述湿度设定步骤还包括以下步骤：
S1：检测是否记录有与设定的理想轨迹相同的理想轨迹；
S2：若有则直接调用该理想轨迹已训练好的控制律。
本发明迭代学习的控制效果如图3所示，在图3所示结果中，纵坐标-1对应的相对湿度为0，纵坐标0对应相对实施为30％，纵坐标1对应的相对湿度为60％。可以看出，在本发明所提出的迭代学习控制方法下，经过有限次迭代学习得到的控制律，可以使气体湿度是实际轨迹接近理想轨迹。
以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (9)

1.一种燃料电池测试台加湿装置的基于迭代学习的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
湿度设定步骤：设定气体经加湿后湿度的理想轨迹和检测周期；
气体通入步骤：将气体通入加湿装置；
湿度检测步骤：实时检测加湿后的气体的湿度，生成一个检测周期内的气体湿度的实际轨迹；
迭代学习步骤：根据气体湿度的理想轨迹和实际轨迹，进行迭代学习，通过改变加湿水液位高度，使实际轨迹趋近于理想轨迹。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池测试台加湿装置的基于迭代学习的控制方法，其特征在于：所述迭代学习步骤包括以下步骤：
S1：给定以加湿水液位高度为控制量的初始控制律；
S2：在一个检测周期内进行一次迭代学习，重复迭代学习过程，更新控制律，并预设有终止条件，当设定轨迹与实际轨迹之差满足终止条件时，停止迭代学习。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池测试台加湿装置的基于迭代学习的控制方法，其特征在于：所述S2包括以下步骤：
S2-1：根据液位高度的初始控制律，改变加湿装置中的加湿液的液位；
S2-2：检测该周期内的气体的湿度，生成该检测周期内的气体湿度的实际轨迹；
S2-3：根据该周期的气体湿度的实际轨迹和理想轨迹的差值，对本次检测周期的控制律进行修正，将修正后的控制律作为下一周期的控制律；
S2-4：重复步骤S2-1至S2-3，直至检测到的气体湿度的实际轨迹与理想轨迹之差满足终止条件，停止迭代学习，得到训练好的控制律。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池测试台加湿装置的基于迭代学习的控制方法，其特征在于：还包括以下步骤：
S3：记录步骤S2结束后训练好的控制律以及该控制律所对应的气体湿度理想轨迹；
所述湿度设定步骤还包括以下步骤：
S1：检测是否记录有与设定的理想轨迹相同的理想轨迹；
S2：若有则直接调用该理想轨迹已训练好的控制律。
5.根据权利要求1所述的一种燃料电池测试台加湿装置的基于迭代学习的控制方法，其特征在于：还包括以下步骤：
温度检测步骤：检测加湿装置中加湿水的温度；
温度控制步骤：根据预设的温度设定值和所检测到的加湿水的温度，对加湿水的温度进行调控，使加湿水温度趋近于温度设定值。
6.一种燃料电池测试台加湿装置，其特征在于：包括鼓泡加湿器、温度传感器、液位传感器、湿度传感器、温度控制装置、液位控制装置以及控制器，所述鼓泡加湿器内设有加湿水；
所述温度传感器的输出端与控制器的输入端电连接，用于检测鼓泡加湿器中加湿水的温度并发送给控制器，所述温度控制装置的输入端与控制器的输出端电连接，用于根据控制器的反馈信息控制鼓泡加湿器中的加湿水温度；
所述液位传感器的输出端与控制器的输入端电连接，用于检测鼓泡加湿器中加湿水的液位高度，并发送给控制器；
所述湿度传感器的输出端与控制器的输入端电连接，用于检测经加湿后的气体湿度，并发送给控制器；
还包括被配置成存储计算机可执行指令的存储器，所述存储器与控制器电连接，所述计算机可执行指令在被执行时使所述控制器实现权利要求1至5中任一项所述的一种燃料电池测试台加湿装置的基于迭代学习的控制方法；
所述液位控制装置用于根据控制器的反馈信息，调节鼓泡加湿器中的加湿水的液位。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池测试台加湿装置，其特征在于：所述温度控制器包括与鼓泡加湿器连通的水泵、电加热器、风冷换热器，形成温度控制回路，所述水泵用于将加湿水泵入温度控制回路，所述电加热器用于为加湿水加热，所述风冷换热器用于为加湿水降温；
所述控制器在加湿水需要升温时，控制电加热器开启，风冷换热器关闭，在加湿水需要降温时，控制电加热器关闭，风冷换热器开启。
8.根据权利要求7所述的一种燃料电池测试台加湿装置，其特征在于：所述液位控制装置包括排水装置和补水装置，所述排水装置与鼓泡加湿器底部连通，设有排水电磁阀；所述补水装置包括与鼓泡加湿器连通的储水水箱，并设有补水电磁阀；
所述控制器，在需要加湿水液位降低时控制排水电磁阀开启，补水电磁阀关闭，在需要加湿水液位上升时，控制排水电磁阀关闭，补水电磁阀开启。
9.根据权利要求8所述的一种燃料电磁测试台加湿装置，其特征在于：还包括气体质量流量控制器和气体分布器。
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