1-10KW級(jí)質(zhì)子交換膜燃料電池冷卻系統(tǒng)的建模

阮慶洲，余晴春，胡鳴若

0 引言

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，對(duì)于小功率的電堆（比如小于1kW的電堆），可以采用風(fēng)冷的方式進(jìn)行冷卻，但對(duì)于大功率的電堆，風(fēng)冷就顯得無(wú)能為力了，水冷成為首選了。采用水冷的方法，冷卻水的溫度及流量，都將對(duì)電堆的性能產(chǎn)生很大的影響，因此，設(shè)計(jì)一個(gè)能很好控制冷卻水溫度的控制系統(tǒng)就顯得很重要了。水循環(huán)控制系統(tǒng)是一個(gè)典型的慣性帶有滯后的控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)的 PID控制雖然在工業(yè)生產(chǎn)中用得相當(dāng)?shù)钠毡?，但?duì)于這個(gè)具有大滯后、非線性的系統(tǒng)，常規(guī)PID控制很難保證其控制效果始終處于最佳狀態(tài)。另外，由于模糊控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型，是一種基于規(guī)則的控制，可依據(jù)操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)以及專家知識(shí)，通過(guò)查表就可以得到控制策略，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。

1 控制要求

我們的水循環(huán)系統(tǒng)的硬件如圖1所示，K為一個(gè)三通水閥，1和2是兩個(gè)進(jìn)水口，通過(guò)水閥不同的轉(zhuǎn)角來(lái)調(diào)節(jié) T6的溫度，水閥的轉(zhuǎn)角范圍是0到90度，0度時(shí)，進(jìn)入電堆的冷卻水全部來(lái)自于管道2，冷卻水溫度低，90度時(shí)，進(jìn)入電堆的冷卻水全部來(lái)自于管道1，冷卻水溫度高。

圖1 水循環(huán)控制示意圖

一般情況下，電堆冷卻水的進(jìn)口溫度 65°C ≤T≤ 75°C 且

6差值T7- T6約為2～3°C

2 確定輸入量的論域及模糊參考集

設(shè)

ΔT0為期望的差值，ΔT與ΔT0的偏差為e，即

e的最大變化范圍 e∈ [emin, emax]，將 e乘上比例因子k1，使得 k1e∈(-3,+3)為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)范圍；將k1e適當(dāng)?shù)膭澐譃槿舾傻膮^(qū)間，劃分為7個(gè)值（如圖2）。量化后的k1e記為E。

以E為論域，在該論域上定義語(yǔ)言值集F(E)?，F(xiàn)取如下5個(gè)語(yǔ)言值：“負(fù)大 NB、”負(fù)小NS”、“零O”、“正小PS”、“正大 PB”, 即

圖2 輸入量模糊參考集圖

由于論域是有限的離散值，則同樣可得到如下的偏差變量的隸屬度表1。

表1 輸入隸屬度表

3 確定控制量的論域及模糊參考集

控制量是水閥轉(zhuǎn)角的度數(shù)，水閥轉(zhuǎn)角為 0°時(shí)，進(jìn)入電堆的冷卻水水溫低，既T6小，水閥轉(zhuǎn)角為 90°時(shí)，進(jìn)入電堆的冷卻水水溫高，既 T6大。水閥轉(zhuǎn)角 u'∈[0°,90°]，設(shè)u =u'-45°，則 u∈[-45°,45°]，乘上比例因子k2，使k2u有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)變化范圍： k2u∈[-4,+4]。將k2u角度變化量化為9檔，記為U

以U為論域，控制語(yǔ)言值取5個(gè)，得到模糊參考集

圖3 控制量模糊參考集圖

控制量的隸屬函數(shù)見表2。

表2 控制量隸屬度表

4 確定模糊關(guān)系矩陣

依據(jù)以前的控制經(jīng)驗(yàn)，可得到下表的控制規(guī)則（見表3）：

表3 控制規(guī)則（專家經(jīng)驗(yàn)）

一個(gè)規(guī)則ri可以得到一個(gè)關(guān)系矩陣 1,2...5,i=Ri

總的控制關(guān)系

求關(guān)系矩陣Ri：

5 求出輸出決策矩陣B

現(xiàn)在，對(duì)輸入e，分別令k1e等于-3、-2、-1、0、1、2、3，求出輸出決策B。下面構(gòu)造一個(gè)輸入模糊集合。

求輸出決策B

為了實(shí)際的需要，我們需要做出判決，對(duì)上面的輸入，求出對(duì)應(yīng)的輸出，并把他做成一個(gè)查詢表。利用下面公式計(jì)算控制輸出值：

當(dāng) k1e=-3時(shí)， B1j=[0,0,0,0,0,0,0,0.5,1]；（B1j表示B矩陣的第一行）

同理

所以，我們得到對(duì)應(yīng)的 u'*

6 結(jié)論

通過(guò)上面的討論，對(duì)于不同的輸入，可以得到下面一個(gè)模糊查詢表（表4）

表4 模糊查詢表

我們從上面的設(shè)計(jì)可以看出，采用模糊控制，可以大大簡(jiǎn)化很多中間環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)者不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，只需要具備一定的經(jīng)驗(yàn)和熟悉控制要求，就能設(shè)計(jì)出比傳統(tǒng)PID控制更完美的控制系統(tǒng)。

[1]徐軍.動(dòng)態(tài)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)—設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

[2]章衛(wèi)國(guó).模糊控制理論與應(yīng)用[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,1999.

[3]藤田信雄,近藤俊行.燃料電池冷卻系統(tǒng)及控制燃料電池中冷卻液的循環(huán)的方法[P].中國(guó)申請(qǐng)?zhí)?專利號(hào):200480018410,2008.

[4]張立炎,潘牧,全書海.質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)建模和控制的綜述[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):信息與管理工程版,2007,29(4).