CN114856984A - 燃料电池空压机的控制方法、装置、系统及存储介质 - Google Patents

燃料电池空压机的控制方法、装置、系统及存储介质 Download PDF

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CN114856984A CN202210316958.6A CN202210316958A CN114856984A CN 114856984 A CN114856984 A CN 114856984A CN 202210316958 A CN202210316958 A CN 202210316958A CN 114856984 A CN114856984 A CN 114856984A
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徐丛国
彭旭
毛志明
郭玉平
王成林
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Shenzhen Guoqing New Energy Technology Co ltd
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Abstract

本申请公开了一种燃料电池空压机的控制方法，包括：计算燃料电池的空气流量输入值和空气流量输出值之间的偏差值，以及所述偏差值对应的偏差值变化量和偏差值累积量；根据模糊逻辑规则对所述偏差值和所述偏差值变化量进行处理得到模糊系数；根据所述偏差值、偏差值变化量、偏差值累积量和模糊系数计算空气流量增量；根据所述空气流量增量调节空压机的转速。本申请还公开了一种燃料电池空压机的控制装置、燃料电池系统、电子设备以及计算机可读存储介质。本申请旨在实现提高燃料电池系统的控制响应速度，从而提高调节燃料电池的空压机转速的效率，并提高空压机运转的稳定性。

Description

燃料电池空压机的控制方法、装置、系统及存储介质
技术领域
本申请涉及燃料电池技术领域，尤其涉及一种燃料电池空压机的控制方法、燃料电池空压机的控制装置、燃料电池系统、电子设备以及计算机可读存储介质。
背景技术
氢氧燃料电池是一种由空气中的氧气和氢气在催化剂作用下进行化学反应产生电能的装置。该型燃料电池所用燃料为氢气、氧化剂为空气中的氧气，排放物为水，发电过程中无机械传动部件，使用寿命长。
目前对燃料电池系统的空压机的转速调控，采用的是传统的PID(ProportionIntegral Differential，比例-积分-微分)控制方法，其通过PID控制器将燃料电池系统中燃料电池电堆的净功率实际值与净功率参考值进行比较，并将两者的差值通过比例-积分-微分控制规律的处理得到控制量，以此调节空压机转速。
但是传统的PID控制器所采用的比例-积分-微分控制算法主要适用于基本上线性且动态特性不随时间变化的系统，因而传统的PID控制方法无法在负载快速变化时及时调节空压机的转速，从而无法有效地避免氧气饥饿现象并解决响应速度慢的问题，而且容易导致燃料电池电堆内部的氢气与氧气的压差过大，进而影响了燃料电池系统的性能、效率和寿命。
上述内容仅用于辅助理解本申请的技术方案，并不代表承认上述内容是现有技术。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种燃料电池空压机的控制方法、燃料电池空压机的控制装置、燃料电池系统、电子设备以及计算机可读存储介质，旨在实现提高燃料电池系统的控制响应速度，从而提高调节燃料电池的空压机转速的效率，并提高空压机运转的稳定性。
为实现上述目的，本申请提供一种燃料电池空压机的控制方法，包括以下步骤：
计算燃料电池的空气流量输入值和空气流量输出值之间的偏差值，以及所述偏差值对应的偏差值变化量和偏差值累积量；
根据模糊逻辑规则对所述偏差值和所述偏差值变化量进行处理得到模糊系数；
根据所述偏差值、偏差值变化量、偏差值累积量和模糊系数计算空气流量增量；
根据所述空气流量增量调节空压机的转速。
可选的，所述根据模糊逻辑规则对所述偏差值和所述偏差值变化量进行处理得到模糊系数的步骤包括：
根据模糊逻辑规则对所述偏差值和所述偏差值变化量进行模糊化处理，得到模糊信号；
对所述模糊信号进行解模糊处理，得到模糊系数。
可选的，所述模糊系数包括模糊比例系数、模糊积分系数和模糊微分系数；所述根据偏差值、偏差值变化量、偏差值累积量和模糊系数计算空气流量增量的步骤包括：
获取初始比例系数、初始积分系数和初始微分系数；
根据所述初始比例系数、初始积分系数、初始微分系数、模糊比例系数、模糊积分系数和模糊微分系数，计算比例系数、积分系数和微分系数；
根据所述偏差值、偏差值变化量和偏差值累积量，以及所述比例系数、积分系数和微分系数，计算空气流量增量。
可选的，所述空气流量增量的计算公式为：
U(i)＝K1*(E1(i)-E1(i-1))+K2*(E2(i)-E2(i-1))+K3*(E3(i)-E3(i-1))；
其中，U(i)为所述空气流量增量，E1(i)为第i次计算得到的所述偏差值，E2(i)为第i次计算得到的所述偏差值累积量，E3(i)为第i次计算得到的所述偏差值变化量，K1为所述比例系数，K2为所述积分系数，K3为所述微分系数。
可选的，所述根据空气流量增量调节空压机的转速的步骤包括：
根据空压机的预设转速系数、初始转速百分比和所述空气流量增量，计算所述空压机的转速百分比；
根据所述转速百分比调节所述空压机的转速。
可选的，所述根据转速百分比调节所述空压机的转速的步骤包括：
根据在预设时长内多次计算得到的所述转速百分比，计算所述转速百分比的均值；
根据所述转速百分比的均值调节所述空压机的转速。
可选的，所述根据转速百分比的均值调节所述空压机的转速的步骤包括：
获取稳态误差百分比，其中，所述稳态误差百分比根据所述空气流量输入值和空气流量均值计算得到，所述空气流量均值根据在当前预设时长内多次检测得到的所述空气流量输出值计算得到；
检测所述稳态误差百分比是否处于预设范围内；
若是，根据当前预设时长内计算得到的转速百分比的均值调节所述空压机的转速。
为实现上述目的，本申请还提供一种燃料电池空压机的控制装置，包括：
预处理模块，用于计算燃料电池的空气流量输入值和空气流量输出值之间的偏差值，以及所述偏差值对应的偏差值变化量和偏差值累积量；
模糊控制器，用于根据模糊逻辑规则对所述偏差值和所述偏差值变化量进行处理得到模糊系数；
比例-积分-微分控制器，用于根据所述偏差值、偏差值变化量、偏差值累积量和模糊系数计算空气流量增量；
空压机控制器，用于根据所述空气流量增量调节空压机的转速。
可选的，所述预处理模块包括偏差器、减法器和累加器；
所述偏差器，用于将燃料电池的空气流量输入值和空气流量输出值进行比较得到偏差值；
所述减法器，用于根据所述偏差值计算偏差值变化量；
所述累加器，用于根据所述偏差值计算偏差值累积量。
为实现上述目的，本申请还提供一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括空压机，以及如上述所述的空压机控制装置。
为实现上述目的，本申请还提供一种电子设备，所述电子设备包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的燃料电池空压机的控制程序，所述燃料电池空压机的控制程序被所述处理器执行时实现如上述燃料电池空压机的控制方法的步骤。
为实现上述目的，本申请还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有燃料电池空压机的控制程序，所述燃料电池空压机的控制程序被处理器执行时实现如上述燃料电池空压机的控制方法的步骤。
本申请提供的燃料电池空压机的控制方法、燃料电池空压机的控制装置、燃料电池系统、电子设备以及计算机可读存储介质，通过对普通PID控制器做出改进，采用增量式PID叠加模糊PID的智能控制，基于此实现空压机的闭环智能控制，使得PID控制器能够适用于动态特性可随时间变化的燃料电池系统，以此提高燃料电池系统的控制响应速度，从而提高调节燃料电池的空压机转速的效率，以及提高空压机运转的稳定性，从而有效地避免因空压机转速调节不及时而使得燃料电池系统出现氧气饥饿现象，进而提高了燃料电池系统的性能、效率和寿命。
附图说明
图1为本申请一实施例中燃料电池空压机的控制方法的步骤流程图；
图2为本申请一实施例中模拟PID控制的实验结果图；
图3为本申请一实施例中燃料电池空压机的控制装置的结构示意图；
图4为本申请一实施例中预处理模块的结构示意图；
图5为本申请一实施例的电子设备的内部结构示意框图。
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制，基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
在一实施例中，参照图1，所述燃料电池空压机的控制方法包括：
步骤S10、计算燃料电池的空气流量输入值和空气流量输出值之间的偏差值，以及所述偏差值对应的偏差值变化量和偏差值累积量；
步骤S20、根据模糊逻辑规则对所述偏差值和所述偏差值变化量进行处理得到模糊系数；
步骤S30、根据所述偏差值、偏差值变化量、偏差值累积量和模糊系数计算空气流量增量；
步骤S40、根据所述空气流量增量调节空压机的转速。
本实施例中，实施例终端可以是燃料电池空压机的控制装置，也可以是与燃料电池空压机的控制装置(或者燃料电池系统)建立有通信连接，并可对燃料电池空压机的控制装置(或者燃料电池系统)进行控制的电子设备。以下以实施例终端为燃料电池空压机的控制装置为例进行说明。其中，燃料电池空压机的控制装置可以是设置在燃料电池系统中，也可以是与燃料电池系统建立有通信连接的外部装置。
如步骤S10所述，终端在得到同一时刻检测到的空气流量输入值和空气流量输出值后，可以利用空气流量输入值减去空气流量输出值，得到两者之间的偏差值。而随着燃料电池系统的持续运作，终端就可以相应计算得到多个不同时刻对应偏差值。
可选的，在预处理模块得到多个不同时刻对应偏差值后，就可以将这些偏差值进行累加运算，得到偏差值累积量；同时，终端还可以将这些偏差值进行两两求差，得到偏差值变化量(即用当前时刻得到的偏差值减去上一时刻得到的偏差值，以此生成偏差值变化量)。
如步骤S20所述，终端设置有模糊逻辑规则，所述模糊逻辑规则定义有模糊化处理方式。需要说明的是，模糊逻辑指模仿人脑的不确定性概念判断、推理思维方式，对于模型未知或不能确定的描述系统，以及强非线性、大滞后的控制对象，应用模糊集合和模糊规则进行推理，表达过渡性界限或定性知识经验，模拟人脑方式，实行模糊综合判断，推理解决常规方法难于对付的规则型模糊信息问题。
可选的，终端根据模糊逻辑规则对所述偏差值和所述偏差值变化量进行模糊化处理，得到模糊信号。然后终端对所述模糊信号进行解模糊处理，得到模糊系数。其中，所述模糊系数包括模糊比例系数△Kp、模糊积分系数△Ki和模糊微分系数△Kd。
如步骤S30所述，所述根据偏差值、偏差值变化量、偏差值累积量和模糊系数计算空气流量增量的步骤包括：
步骤S31、获取初始比例系数、初始积分系数和初始微分系数；
步骤S32、根据所述初始比例系数、初始积分系数、初始微分系数、模糊比例系数、模糊积分系数和模糊微分系数，计算比例系数、积分系数和微分系数；
步骤S33、根据所述偏差值、偏差值变化量和偏差值累积量，以及所述比例系数、积分系数和微分系数，计算空气流量增量。
可选的，终端设置有比例-积分-微分控制器。其中，初始比例系数、初始积分系数和初始微分系数与比例-积分-微分控制器的初始设定值相关，初始比例系数、初始积分系数和初始微分系数可以是设定的常数；而在实际应用中，也可以是在燃料电池的空压机启动后，给空压机一固定的转速初值R0，并采集空气流量初值为M0，然后根据实际应用运行燃料电池空压机，执行普通PID控制方法(即传统的PID控制方法)，就可以得到本实施例所执行的PID控制方法所需的初始比例系数、初始积分系数和初始微分系数。
可选的，终端会先查询各个模糊系数对应的整定系数；如查询模糊比例系数△Kp对应的第一整定系数Kup、查询模糊积分系数△Ki对应的第二整定系数Kui和模糊微分系数△Kd对应的第三整定系数Kud。其中，各个模糊系数对应的整定系数可由模糊逻辑规则推演得到。
可选的，采用以下计算公式计算本实施例所采用的PID控制方法的比例系数：
K1＝Kp0+Kup×△Kp，其中，Kp0为初始比例系数。
可选的，采用以下计算公式计算本实施例所采用的PID控制方法的积分系数：
K2＝Ki0+Kui×△Ki，其中，Ki0为初始积分系数。
可选的，采用以下计算公式计算本实施例所采用的PID控制方法的微分系数：
K3＝Kd0+Kud×△Kd，其中，Kd0为初始微分系数。
可选的，当终端计算得到比例系数、积分系数和微分系数后，即可根据所述偏差值、偏差值变化量和偏差值累积量，以及所述比例系数、积分系数和微分系数，计算空气流量增量。
可选的，空气流量增量的计算公式如下：
U(i)＝K1*(E1(i)-E1(i-1))+K2*(E2(i)-E2(i-1))+K3*(E3(i)-E3(i-1))；
其中，U(i)为所述空气流量增量，E1(i)为第i次计算得到的所述偏差值，E2(i)为第i次计算得到的所述偏差值累积量，E3(i)为第i次计算得到的所述偏差值变化量，K1为所述比例系数，K2为所述积分系数，K3为所述微分系数。
可选的，由于
Figure BDA0003569227110000071
E3＝E1(i)-E1(i-1)，因此空气流量增量的计算公式亦可以化简为：
U(i)＝K1*(E1(i)-E1(i-1))+K2*E1(i)+K3*(E1(i)-2*E1(i-1)+E1(i-2))；
这样，当燃料电池空压机的控制装置经多次采样，即可计算得到空气流量增量。应当理解的是，当燃料电池空压机的控制装置为第一次采样时，则计算所需的E1(0)为初始的设定值。
如步骤S40所述，所述根据空气流量增量调节空压机的转速的步骤包括：
步骤S41、根据空压机的预设转速系数、初始转速百分比和所述空气流量增量，计算所述空压机的转速百分比；
步骤S42、根据所述转速百分比调节所述空压机的转速。
可选的，终端获取空压机的预设转速系数和初始转速百分比，然后根据空压机的预设转速系数、初始转速百分比和所述空气流量增量，计算所述空压机当前的转速百分比。
其中，所述预设转速系数为常量，由空压机实际工况决定，表征为空压机单位质量空气流量对应的转速百分比(单位：％/(g/s))，预设转速系数的取值范围可以是0.45-0.6，可选为0.5、0.55。
其中，所述初始转速百分比由空压机预设的初始转速决定，可通过利用初始转速除以空压机运行时所能达到的最高转速得到。
可选的，空压机当前时刻的转速百分比的计算公式如下：
R(i)＝R(i-1)+U(i)*C；
其中，U(i)为空气流量增量，C为预设转速系数，R(i-1)为上一次空压机所执行的转速百分比(即上一时刻计算得到的转速百分比)。应当理解的是，两次相邻时刻的间隔时长，由燃料电池空压机的控制装置的采样频率决定；当第一次计算空压机的转速百分比时，R(0)即为空压机的初始转速百分比。
可选的，终端计算得到空压机当前时刻的转速百分比后，即可利用转速百分比乘以最高转速，得到目标转速，然后控制空压机以目标转速运行。
可选的，本实施例的燃料电池空压机的控制装置可以包括燃料电池的空压机，也可以不包括燃料电池的空压机。其中，当燃料电池空压机的控制装置包括燃料电池的空压机时，则所述空压机控制器与空压机连接，并可向空压机下发转速指令，以调节空压机的转速；当燃料电池空压机的控制装置不包括燃料电池的空压机时，则所述空压机控制器亦可与外部燃料电池的空压机建立通信连接，并可向空压机下发转速指令，以调节空压机的转速。
这样，通过对普通PID控制器做出改进，采用增量式PID叠加模糊PID的智能控制，基于此实现空压机的闭环智能控制，使得PID控制器能够适用于动态特性可随时间变化的燃料电池系统，以此提高燃料电池系统的控制响应速度，从而提高调节燃料电池的空压机转速的效率，以及提高空压机运转的稳定性，从而有效地避免因空压机转速调节不及时而使得燃料电池系统出现氧气饥饿现象，进而提高了燃料电池系统的性能、效率和寿命。
在一实施例中，在上述实施例的基础上，所述根据模糊逻辑规则对所述偏差值和所述偏差值变化量进行处理得到模糊系数的步骤包括：
步骤S21、根据模糊逻辑规则对所述偏差值和所述偏差值变化量进行模糊化处理，得到模糊信号；
步骤S22、对所述模糊信号进行解模糊处理，得到模糊系数。
本实施例中，终端设置有模糊逻辑规则，所述模糊逻辑规则定义有模糊化处理方式。例如定义：
(1)设定模糊化基本论域范围{-1,0,1}；
(2)设定空气流量的偏差值E1的范围为[-180,180]g/s、偏差值对应的量化因子Ke＝1/180；
(3)设定空气流量的偏差值变化量E3的范围为[-360,360]g/s、偏差值变化量对应的量化因子Kec＝1/360；
(4)大体设定模糊系数的取值范围；其中，设定模糊比例系数△Kp的范围[-0.2,0.2]、设定模糊积分系数△Ki的取值范围为[-0.5,0.5]、设定模糊微分系数△Kd的取值范围为[-0.2,0.2]，以及基于此得到模糊比例系数△Kp、模糊积分系数△Ki和模糊微分系数△Kd相应的整定系数(或称计算因子)分别为Kup＝0.2，Kui＝0.5，Kud＝0.2；
(5)设定参数模糊化处理对应的模糊信号集为{NB,ZO,PB}，其中模糊信号集各值含义分别为(负大、零、正大)；其中，隶属度函数的模糊信号集NB、PB区域分别采用Z分布和S分布，而模糊信号集ZO则采用三角分布隶属度函数；
(6)按照实际工程应用得到相应的模糊系数的模糊控制规则表如下：
Figure BDA0003569227110000091
可选的，终端在得到所述偏差值和所述偏差值变化量后，即可根据模糊逻辑规则查询模糊控制规则表，得到各个模糊系数分别对于的模糊信号(即模糊信号包括模糊比例系数△Kp对应的模糊信号、模糊积分系数△Ki对应的模糊信号和模糊微分系数△Kd对应的模糊信号)。
可选的，所述模糊逻辑规则还定义有解模糊规则。其中，所述解模糊规则至少包括解模糊规则表；相关工程师可以采用重心法，并使用MATLAB软件对以上模糊信号进行解模糊处理，生成解模糊控制查询表如下：
Figure BDA0003569227110000092
Figure BDA0003569227110000101
这样利用解模糊控制查询表，以及空气流量的偏差值和偏差值变化量在模糊化的基本论域范围{-1,0,1}的取值，就可以得到相应的模糊系数(包括模糊比例系数△Kp、模糊积分系数△Ki和模糊微分系数△Kd)。
由于模糊PID控制与传统的PID控制相比，响应速度快、超调量小、稳态误差小，这样通过模糊化单元和解模糊单元的组合，实现将模糊PID叠加到增量式PID的控制中，就能相应提供燃料电池系统的响应速度，并降低超调量和稳态误差，提高系统的稳定性。
参照图2，通过应用仿真MATLAB对某现有二阶系统进行仿真对比，得到模糊PID控制和普通PID控制之间的仿真结果。其中，以阶跃输入信号为参考基准，输出结果显示模糊PID控制与普通PID控制相比，响应速度快、超调量小以及稳态误差小。
在一实施例中，在上述实施例的基础上，所述根据所述转速百分比调节所述空压机的转速的步骤包括：
步骤S50、根据在预设时长内多次计算得到的所述转速百分比，计算所述转速百分比的均值；
步骤S60、根据所述转速百分比的均值调节所述空压机的转速。
本实施例中，终端可以根据实际情况需要，预先设置有多个采样时段，每个采样时段的时长对应为预设时长。在每个采样时段中，终端可以对空气流量输入值和控制流量输出值采样多次(若空气流量输入值为恒定值，则可以只采样空气流量输出值)，并基于此采用步骤S10-S30，逐步计算每次实时或定时采样相对应的空压机的转速百分比。这样在预设时长内，终端就可以计算得到多个转速百分比。然后终端对同一预设时长内的多个转速百分比进行求和运算后，则利用求和结果计算预设时长内的转速百分比的均值。
可选的，在得到空压机在预设时长内的转速百分比的均值时，则可利用转速百分比的均值乘以空压机可运行的最高转速，得到目标转速。然后终端控制空压机以目标转速运行。
这样，可以有效降低因空气流量的瞬时值波动量大而带来的误差，提高计算空压机的转速百分比的准确率，以实现对空压机的精准控制。
在一实施例中，在上述实施例基础上，所述根据所述转速百分比的均值调节所述空压机的转速的步骤包括：
步骤S61、获取稳态误差百分比，其中，所述稳态误差百分比根据所述空气流量输入值和空气流量均值计算得到，所述空气流量均值根据在当前预设时长内多次检测得到的所述空气流量输出值计算得到；
步骤S62、检测所述稳态误差百分比是否处于预设范围内；
步骤S63、若是，根据当前预设时长内计算得到的转速百分比的均值调节所述空压机的转速。
本实施例中，终端在计算得到每次采样轮次对应的预设时长内的转速百分比的均值时，还会根据在当前预设时长内多次检测到的空气流量输出值，计算当前预设时长内的空气流量均值(即预设时长内的多个空气流量输出值对应的均值)，然后根据所述空气流量输入值和空气流量均值计算稳态误差百分比。稳态误差百分比的计算公式如下：
Figure BDA0003569227110000111
其中，M为空气流量输入值，MS为空气流量均值。
可选的，终端进一步检测稳态误差百分比是否处于预设范围内。其中，所述预设范围为[-y，+y]，y为常数，用于表征稳态误差范围，可以由相关工程师根据实际情况需要设置。
可选的，当终端检测到稳态误差百分比处于预设范围内时，则采用根据当前预设时长内计算得到的转速百分比的均值调节所述空压机的转速，即利用当前预设时长对应的转速百分比的均值乘以空压机可运行的最高转速，得到目标转速，然后利用目标转速更新空压机的当前转速。
可选的，当终端检测到稳态误差百分比处于预设范围外时，则控制空压机维持当前转速，并重新返回执行步骤S10。需要说明的是，空压机的当前转速，可以是终端在上一轮预设时长内(即上一轮次的采样时段)计算得到的目标转速；而若当前预设时长即为终端采样规律中的第一个预设时长时(即第一个采样时段对应的预设时长)，则当前转速应为空压机的初始转速。
这样，可以进一步降低燃料电池系统的稳态误差，实现空压机的转速的精准调控，提高空压机运转的稳定性。
可选的，若终端检测到稳态误差百分比处于预设范围外，并重新返回执行步骤S10的同时，还可以累计循环次数。并每次返回执行步骤S10之前，检测循环次数是否大于预设次数(如设定为100次)。若循环次数不大于预设次数，则当稳态误差百分比处于预设范围外时，控制空压机维持当前转速，并重新返回执行步骤S10；若循环次数大于预设次数时，则当稳态误差百分比处于预设范围外时，依然执行根据当前预设时长内计算得到的转速百分比的均值调节所述空压机的转速的步骤。这样，可以避免终端运算陷入死循环中。
可选的，在终端每次检测到空气流量输出值，可以先检测空气流量输出值是否处于预设误差范围内。其中，所述预设误差范围为[M-X，M+X]，M为空气流量输入值，X为稳态空气流量误差值(可以是一预先设定值)。
可选的，若检测空气流量输出值处于预设误差范围内，则将该空气流量输出值加入到后续的运算之中(如计算稳态误差百分比的运算)；若检测空气流量输出值处于预设误差范围外，则弃用或筛选掉将该空气流量输出值。这样，可以减少运算的误差。
此外，本申请还提供一种燃料电池空压机的控制装置，参照图3，所述燃料电池空压机的控制装置包括：
预处理模块10，用于计算燃料电池的空气流量输入值和空气流量输出值之间的偏差值，以及所述偏差值对应的偏差值变化量和偏差值累积量；
模糊控制器20，用于根据模糊逻辑规则对所述偏差值和所述偏差值变化量进行处理得到模糊系数；
比例-积分-微分控制器30，用于根据所述偏差值、偏差值变化量、偏差值累积量和模糊系数计算空气流量增量；
空压机控制器40，用于根据所述空气流量增量调节空压机的转速。
本实施例中，燃料电池空压机的控制装置与燃料电池的空气流量输入口和空气流量输出口连接，并可检测空气流量输入口对应的空气流量输入值，以及检测空气流量输出口对应的空气流量输出值。
可选的，预处理模块10在得到同一时刻检测到的空气流量输入值和空气流量输出值后，可以利用空气流量输入值减去空气流量输出值，得到两者之间的偏差值。而随着燃料电池系统的持续运作，预处理模块10就可以相应计算得到多个不同时刻对应偏差值。
可选的，在预处理模块10得到多个不同时刻对应偏差值后，就可以将这些偏差值进行累加运算，得到偏差值累积量；同时，预处理模块10还可以将这些偏差值进行两两求差，得到偏差值变化量(即用当前时刻得到的偏差值减去上一时刻得到的偏差值，以此生成偏差值变化量)。
可选的，预处理模块10分别与模糊控制器20和比例-积分-微分控制器30建立有通信连接。其中，在预处理模块10每次计算得到所述偏差值和偏差值变化量时，均可以将所述偏差值和偏差值变化量传输至模糊控制器20；在预处理模块10每次计算得到所述偏差值、偏差值变化量和偏差值累积量时，均可将所述偏差值、偏差值变化量和偏差值累积量传输至比例-积分-微分控制器30。
可选的，所述模糊控制器20中设置有模糊逻辑规则，所述模糊逻辑规则定义有模糊控制器20执行的模糊化处理方式。例如定义：
(1)设定模糊化基本论域范围{-1,0,1}；
(2)设定空气流量的偏差值E1的范围为[-180,180]g/s、偏差值对应的量化因子Ke＝1/180；
(3)设定空气流量的偏差值变化量E3的范围为[-360,360]g/s、偏差值变化量对应的量化因子Kec＝1/360；
(4)大体设定模糊系数的取值范围；其中，设定模糊比例系数△Kp的范围[-0.2,0.2]、设定模糊积分系数△Ki的取值范围为[-0.5,0.5]、设定模糊微分系数△Kd的取值范围为[-0.2,0.2]，以及基于此得到模糊比例系数△Kp、模糊积分系数△Ki和模糊微分系数△Kd相应的整定系数(或称计算因子)分别为Kup＝0.2，Kui＝0.5，Kud＝0.2；
(5)设定参数模糊化处理对应的模糊信号集为{NB,ZO,PB}，其中模糊信号集各值含义分别为(负大、零、正大)；其中，隶属度函数的模糊信号集NB、PB区域分别采用Z分布和S分布，而模糊信号集ZO则采用三角分布隶属度函数；
(6)按照实际工程应用得到相应的模糊系数的模糊控制规则表如下：
Figure BDA0003569227110000141
可选的，模糊控制器20在得到所述偏差值和所述偏差值变化量后，即可根据模糊逻辑规则查询模糊控制规则表，得到各个模糊系数分别对于的模糊信号(即模糊信号包括模糊比例系数△Kp对应的模糊信号、模糊积分系数△Ki对应的模糊信号和模糊微分系数△Kd对应的模糊信号)。
可选的，所述模糊逻辑规则还定义有解模糊规则。其中，所述解模糊规则至少包括解模糊规则表；相关工程师可以采用重心法，并使用MATLAB软件对以上模糊信号进行解模糊处理，生成解模糊控制查询表如下：
Figure BDA0003569227110000142
这样利用解模糊控制查询表，以及空气流量的偏差值和偏差值变化量在模糊化的基本论域范围{-1,0,1}的取值，就可以得到相应的模糊系数(包括模糊比例系数△Kp、模糊积分系数△Ki和模糊微分系数△Kd)。
可选的，所述模糊控制器20与所述比例-积分-微分控制器30建立有通信连接，在模糊控制器20计算得到各模糊系数后，则将各个模糊系数传输至比例-积分-微分控制器30。
可选的，比例-积分-微分控制器30在接收到预处理模块10发送的偏差值、偏差值变化量和偏差值累积量，以及接收到模糊控制器20发送的模糊系数后，则根据所述偏差值、偏差值变化量、偏差值累积量和模糊系数计算空气流量增量。其中，所述模糊系数包括模糊比例系数、模糊积分系数和模糊微分系数。
可选的，比例-积分-微分控制器30先根据比例-积分-微分控制器30对应的初始比例系数、初始积分系数、初始微分系数，以及根据所述模糊比例系数、模糊积分系数和模糊微分系数，计算比例系数、积分系数和微分系数。
其中，初始比例系数、初始积分系数和初始微分系数与比例-积分-微分控制器30的初始设定值相关，初始比例系数、初始积分系数和初始微分系数可以是设定的常数；而在实际应用中，也可以是在燃料电池的空压机启动后，给空压机一固定的转速初值R0，并采集空气流量初值为M0，然后根据实际应用运行燃料电池空压机，执行普通PID控制方法(即传统的PID控制方法)，就可以得到本实施例所执行的PID控制方法所需的初始比例系数、初始积分系数和初始微分系数。
其中，比例-积分-微分控制器30会先查询各个模糊系数对应的整定系数；如查询模糊比例系数△Kp对应的第一整定系数Kup、查询模糊积分系数△Ki对应的第二整定系数Kui和模糊微分系数△Kd对应的第三整定系数Kud。
可选的，比例-积分-微分控制器30采用以下计算公式计算本实施例所采用的PID控制方法的比例系数：
K1＝Kp0+Kup×△Kp，其中，Kp0为初始比例系数。
可选的，比例-积分-微分控制器30采用以下计算公式计算本实施例所采用的PID控制方法的积分系数：
K2＝Ki0+Kui×△Ki，其中，Ki0为初始积分系数。
可选的，比例-积分-微分控制器30采用以下计算公式计算本实施例所采用的PID控制方法的微分系数：
K3＝Kd0+Kud×△Kd，其中，Kd0为初始微分系数。
可选的，当比例-积分-微分控制器30计算得到比例系数、积分系数和微分系数后，即可根据所述偏差值、偏差值变化量和偏差值累积量，以及所述比例系数、积分系数和微分系数，计算空气流量增量。
可选的，空气流量增量的计算公式如下：
U(i)＝K1*(E1(i)-E1(i-1))+K2*(E2(i)-E2(i-1))+K3*(E3(i)-E3(i-1))；
其中，U(i)为所述空气流量增量，E1(i)为第i次计算得到的所述偏差值，E2(i)为第i次计算得到的所述偏差值累积量，E3(i)为第i次计算得到的所述偏差值变化量，K1为所述比例系数，K2为所述积分系数，K3为所述微分系数。
可选的，由于
Figure BDA0003569227110000161
E3＝E1(i)-E1(i-1)，因此空气流量增量的计算公式亦可以化简为：
U(i)＝K1*(E1(i)-E1(i-1))+K2*E1(i)+K3*(E1(i)-2*E1(i-1)+E1(i-2))。
这样，当燃料电池空压机的控制装置经多次采样，比例-积分-微分控制器30即可计算得到空气流量增量。应当理解的是，当燃料电池空压机的控制装置为第一次采样时，则计算所需的E1(0)为初始的设定值。
可选的，比例-积分-微分控制器30与空压机控制器40建立有通信连接，当比例-积分-微分控制器30计算得到空气流量增量后，则可将空气流量增量传输至空压机控制器40。
可选的，当空压机控制器40接收到比例-积分-微分控制器30发送的空气流量增量后，则获取空压机的预设转速系数和初始转速百分比，然后根据空压机的预设转速系数、初始转速百分比和所述空气流量增量，计算所述空压机当前的转速百分比。
其中，所述预设转速系数为常量，由空压机实际工况决定，表征为空压机单位质量空气流量对应的转速百分比(单位：％/(g/s))，预设转速系数的取值范围可以是0.45-0.6，可选为0.5、0.55。
其中，所述初始转速百分比由空压机预设的初始转速决定，可通过利用初始转速除以空压机运行时所能达到的最高转速得到。
可选的，空压机当前时刻的转速百分比的计算公式如下：
R(i)＝R(i-1)+U(i)*C；
其中，U(i)为空气流量增量，C为预设转速系数，R(i-1)为上一次空压机所执行的转速百分比(即上一时刻计算得到的转速百分比)。应当理解的是，两次相邻时刻的间隔时长，由燃料电池空压机的控制装置的采样频率决定；当第一次计算空压机的转速百分比时，R(0)即为空压机的初始转速百分比。
可选的，在空压机控制器40计算得到空压机当前时刻的转速百分比后，即可利用转速百分比乘以最高转速，得到目标转速，然后控制空压机以目标转速运行。
可选的，本实施例的燃料电池空压机的控制装置可以包括燃料电池的空压机，也可以不包括燃料电池的空压机。其中，当燃料电池空压机的控制装置包括燃料电池的空压机时，则所述空压机控制器40与空压机连接，并可向空压机下发转速指令，以调节空压机的转速；当燃料电池空压机的控制装置不包括燃料电池的空压机时，则所述空压机控制器40亦可与外部燃料电池的空压机建立通信连接，并可向空压机下发转速指令，以调节空压机的转速。
这样，通过对普通PID控制器做出改进，采用增量式PID叠加模糊PID的智能控制，基于此实现空压机的闭环智能控制，使得PID控制器能够适用于动态特性可随时间变化的燃料电池系统，以此提高燃料电池系统的控制响应速度，从而提高调节燃料电池的空压机转速的效率，以及提高空压机运转的稳定性，从而有效地避免因空压机转速调节不及时而使得燃料电池系统出现氧气饥饿现象，进而提高了燃料电池系统的性能、效率和寿命。
在一实施例中，在上述实施例的基础上，参照图4，所述预处理模块10包括偏差器11、减法器12和累加器13；
所述偏差器11，用于将燃料电池的空气流量输入值和空气流量输出值进行比较得到偏差值；
所述减法器12，用于根据所述偏差值计算偏差值变化量；
所述累加器13，用于根据所述偏差值计算偏差值累积量。
可选的，所述偏差器11与减法器12、累加器13、模糊控制器20和比例-积分-微分控制器30均分别建立有通信连接，在偏差器11计算得到空气流量的偏差值后，即可将偏差值分别传输至减法器12、累加器13、模糊控制器20和比例-积分-微分控制器30。
可选的，所述减法器12每次接收到偏差器11发送的偏差值后，均可利用当次接收到的偏差值减去上一次接收到的偏差值，得到偏差值变化量，并将偏差值变化量传输至模糊控制器20和比例-积分-微分控制器30。其中，本实施例与普通PID控制方法的区别在于，传统的比例-积分-微分控制器30的微分值输入端是与微分器连接的，而本实施例的比例-积分-微分控制器30的微分值输入端则与减法器12连接(相当于在沿用传统的比例-积分-微分控制器30的设计框架的基础上，利用减法替代执行PID所需的微分算法部分)。
可选的，所述累加器13每次接收到偏差器11发送的偏差值后，均可利用当次接收到的偏差值加上之前接收到的所有偏差值，得到偏差值累积量，并将偏差值累积量传输至比例-积分-微分控制器30。其中，本实施例与普通PID控制方法的区别在于，传统的比例-积分-微分控制器30的积分值输入端是与积分器连接的，而本实施例的比例-积分-微分控制器30的积分值输入端则与累加器13连接(相当于在沿用传统的比例-积分-微分控制器30的设计框架的基础上，利用累加算法替代执行PID所需的积分算法部分)。
需要说明的是，由于动态特性可随时间变化的燃料电池系统一般需要长时间运行，而通过利用减法器12和累加器13替代微分器和积分器，结合增量式的比例-积分-微分控制器30，就可以降低系统运行时的计算负荷，并提高系统的响应速度，相应地也能提高比例-积分-微分控制器30实时计算空气流量增值的效率，进而提高利用空气流量增值调节燃料电池的空压机转速的效率。
在一实施例中，在上述实施例的基础上，所述燃料电池空压机的控制装置还包括空气流量传感器，所述空气流量传感器用于检测所述空气流量输出值，并将检测结果传输至所述预处理模块10。
本实施例中，空气流量传感器可以设置在空压机的出气口处，并可以定时或实时检测空气流量输出值，生成检测结果。其中，燃料电池空压机的控制装置与预处理模块10建立有通信连接，并可将检测结果传输至预处理模块10。
在一实施例中，在上述实施例的基础上，所述燃料电池空压机的控制装置还包括调节控制器，所述调节控制器用于调节所述空气流量输入值，并将所述空气流量输入值传输至所述预处理模块10。
本实施例中，调节控制器可以设置在燃料电池系统的空气输入管道中，调节控制器设置有开关阀门，调节控制器利用开关阀门可以调节燃料电池系统输入的空气流量的大小。而且调节控制器还与预处理模块10连接，并可实时或定时将空气流量输入值传输至所述预处理模块10。
其中，调节控制器还可与外部的控制设备建立通信连接，然后基于外部的控制设备发送的控制指令，调节燃料电池系统输入的空气流量的大小。
在一实施例中，在上述实施例的基础上，所述模糊控制器20包括模糊化单元和解模糊单元；
所述模糊化单元，用于对所述偏差值和所述偏差值变化量进行模糊化处理，得到模糊信号，并将所述模糊信号传输至所述解模糊单元；
所述解模糊单元，用于对所述模糊信号进行解模糊处理，得到模糊系数，并将所述模糊系数传输至所述比例-积分-微分控制器30。
其中，模糊化单元分别与预处理模块10和解模糊单元电连接，当模糊化单元接收到预处理模块10发送的偏差值和偏差值变化量时，则对所述偏差值和所述偏差值变化量进行模糊化处理，得到模糊信号，并将处理得到的模糊信号传输至解模糊单元。需要说明的是，模糊化单元具体采用的模糊化处理方式和原理，参照上述实施例，此处不再赘述。
其中，解模糊单元与比例-积分-微分控制器30电连接，当解模糊单元接收到模糊化单元发送的模糊信号时，则对模糊信号进行解模糊处理，得到模糊系数，并将处理得到的模糊系数传输至比例-积分-微分控制器30。需要说明的是，解模糊单元具体采用的模糊化处理方式和原理，参照上述实施例，此处不再赘述。
此外，本发明还提供一种燃料电池系统，所述燃料电池系统包括空压机，以及如上述实施例所述的燃料电池空压机的控制装置。其中，所述空压机与燃料电池空压机的控制装置中的空压机控制器连接，并受空压机控制器控制。
由于本燃料电池系统用了上述所有实施例的所有技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的全部技术效果，在此不再一一赘述。
可选的，所述燃料电池系统为氢氧燃料电池系统。
参照图5，本申请实施例中还提供一种电子设备，该电子设备内部结构可以如图5所示。该电子设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该处理器用于提供计算和控制能力。该电子设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该电子设备的数据库用于电子设备的目标识别程序。该电子设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该电子设备的输入装置用于接收外部设备输入的信号。该计算机程序被处理器执行时以实现一种如以上实施例所述的燃料电池空压机的控制方法。
本领域技术人员可以理解，图5中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的电子设备的限定。
此外，本申请还提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括燃料电池空压机的控制程序，所述燃料电池空压机的控制程序被处理器执行时实现如以上实施例所述的燃料电池空压机的控制方法的步骤。可以理解的是，本实施例中的计算机可读存储介质可以是易失性可读存储介质，也可以为非易失性可读存储介质。
综上所述，为本申请实施例中提供的燃料电池空压机的控制方法、燃料电池空压机的控制装置、燃料电池系统、电子设备和计算机可读存储介质，通过对普通PID控制器做出改进，采用增量式PID叠加模糊PID的智能控制，基于此实现空压机的闭环智能控制，使得PID控制器能够适用于动态特性可随时间变化的燃料电池系统，以此提高燃料电池系统的控制响应速度，从而提高调节燃料电池的空压机转速的效率，以及提高空压机运转的稳定性，从而有效地避免因空压机转速调节不及时而使得燃料电池系统出现氧气饥饿现象，进而提高了燃料电池系统的性能、效率和寿命。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的和实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可以包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM通过多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双速据率SDRAM(SSRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其它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、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者是还包括为这种过程、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种燃料电池空压机的控制方法，其特征在于，包括：
计算燃料电池的空气流量输入值和空气流量输出值之间的偏差值，以及所述偏差值对应的偏差值变化量和偏差值累积量；
根据模糊逻辑规则对所述偏差值和所述偏差值变化量进行处理得到模糊系数；
根据所述偏差值、偏差值变化量、偏差值累积量和模糊系数计算空气流量增量；
根据所述空气流量增量调节空压机的转速。
2.根据权利要求1所述的燃料电池空压机的控制方法，其特征在于，所述根据模糊逻辑规则对所述偏差值和所述偏差值变化量进行处理得到模糊系数的步骤包括：
根据模糊逻辑规则对所述偏差值和所述偏差值变化量进行模糊化处理，得到模糊信号；
对所述模糊信号进行解模糊处理，得到模糊系数。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池空压机的控制方法，其特征在于，所述模糊系数包括模糊比例系数、模糊积分系数和模糊微分系数；所述根据偏差值、偏差值变化量、偏差值累积量和模糊系数计算空气流量增量的步骤包括：
获取初始比例系数、初始积分系数和初始微分系数；
根据所述初始比例系数、初始积分系数、初始微分系数、模糊比例系数、模糊积分系数和模糊微分系数，计算比例系数、积分系数和微分系数；
根据所述偏差值、偏差值变化量和偏差值累积量，以及所述比例系数、积分系数和微分系数，计算空气流量增量。
4.根据权利要求3所述的燃料电池空压机的控制方法，其特征在于，所述空气流量增量的计算公式为：
U(i)＝K1*(E1(i)-E1(i-1))+K2*(E2(i)-E2(i-1))+K3*(E3(i)-E3(i-1))；
其中，U(i)为所述空气流量增量，E1(i)为第i次计算得到的所述偏差值，E2(i)为第i次计算得到的所述偏差值累积量，E3(i)为第i次计算得到的所述偏差值变化量，K1为所述比例系数，K2为所述积分系数，K3为所述微分系数。
5.根据权利要求1所述的燃料电池空压机的控制方法，其特征在于，所述根据空气流量增量调节空压机的转速的步骤包括：
根据空压机的预设转速系数、初始转速百分比和所述空气流量增量，计算所述空压机的转速百分比；
根据所述转速百分比调节所述空压机的转速。
6.根据权利要求5所述的燃料电池空压机的控制方法，其特征在于，所述根据转速百分比调节所述空压机的转速的步骤包括：
根据在预设时长内多次计算得到的所述转速百分比，计算所述转速百分比的均值；
根据所述转速百分比的均值调节所述空压机的转速。
7.根据权利要求6所述的燃料电池空压机的控制方法，其特征在于，所述根据转速百分比的均值调节所述空压机的转速的步骤包括：
获取稳态误差百分比，其中，所述稳态误差百分比根据所述空气流量输入值和空气流量均值计算得到，所述空气流量均值根据在当前预设时长内多次检测得到的所述空气流量输出值计算得到；
检测所述稳态误差百分比是否处于预设范围内；
若是，根据当前预设时长内计算得到的转速百分比的均值调节所述空压机的转速。
8.一种燃料电池空压机的控制装置，其特征在于，包括：
预处理模块，用于计算燃料电池的空气流量输入值和空气流量输出值之间的偏差值，以及所述偏差值对应的偏差值变化量和偏差值累积量；
模糊控制器，用于根据模糊逻辑规则对所述偏差值和所述偏差值变化量进行处理得到模糊系数；
比例-积分-微分控制器，用于根据所述偏差值、偏差值变化量、偏差值累积量和模糊系数计算空气流量增量；
空压机控制器，用于根据所述空气流量增量调节空压机的转速。
9.根据权利要求8所述的燃料电池空压机的控制装置，其特征在于，所述预处理模块包括偏差器、减法器和累加器；
所述偏差器，用于将燃料电池的空气流量输入值和空气流量输出值进行比较得到偏差值；
所述减法器，用于根据所述偏差值计算偏差值变化量；
所述累加器，用于根据所述偏差值计算偏差值累积量。
10.一种燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括空压机，以及如权利要求8或9所述的空压机控制装置。
11.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的燃料电池空压机的控制程序，所述燃料电池空压机的控制程序被所述处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的燃料电池空压机的控制方法的步骤。
12.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有燃料电池空压机的控制程序，所述燃料电池空压机的控制程序被处理器执行时实现如权利要求1至7中任一项所述的燃料电池空压机的控制方法的步骤。
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