基于模糊PID技術(shù)的燃料電池水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王澤文，池飛飛，程蕾萌

應(yīng)用研究

基于模糊PID技術(shù)的燃料電池水溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王澤文，池飛飛，程蕾萌

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

針對(duì)燃料電池水溫控制問(wèn)題，本文將PID和模糊控制技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，在PLC控制器基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了一套控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了PID參數(shù)的在線(xiàn)調(diào)整自適應(yīng)。實(shí)際應(yīng)用實(shí)驗(yàn)顯示，相比于傳統(tǒng)PID技術(shù)，本文所介紹的模糊PID控制技術(shù)，能有效降低超調(diào)量、縮短調(diào)節(jié)時(shí)間，具有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，能更好適應(yīng)燃料電池的實(shí)際工程應(yīng)用需求。

燃料電池 水溫控制 模糊PID

0 引言

在燃料電池系統(tǒng)中，冷卻水的主要作用是冷卻電堆。過(guò)高、過(guò)低或者持續(xù)大范圍波動(dòng)的水溫都不利于電堆的正常和高效工作，在水溫過(guò)高等嚴(yán)重情況下電堆將出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的性能衰退。因此，燃料電池水溫控制非常重要[1-2]。

目前普遍使用PID控制來(lái)處理燃料電池水溫控制問(wèn)題，然而PID控制效果基于數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，精確的模型有助于實(shí)現(xiàn)高效和精準(zhǔn)的控制。眾所周知，水溫這類(lèi)控制對(duì)象往往具有大慣性、大遲滯等特點(diǎn)，難以建立模型。對(duì)于同時(shí)涉及其他多變量的復(fù)雜控制系統(tǒng)，模型的建立將更加困難，因而控制精度也難以提高。此外，常規(guī)PID控制算法各模型參數(shù)為固定值，面系統(tǒng)變化無(wú)法做出自適應(yīng)調(diào)整，造成控制精度下降。因此，常規(guī)PID技術(shù)在燃料電池水溫控制問(wèn)題上難以獲得預(yù)期效果[3-5]。

本文擬采用模糊PID技術(shù)來(lái)解決以上問(wèn)題。模糊控制是在對(duì)人的思維和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)概括后提出的一種控制方式，可見(jiàn)這種控制方式不需要精確的模型[6-7]。模糊控制與PID技術(shù)的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，達(dá)到響應(yīng)快、超調(diào)小等目的，同時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和魯棒性較好，對(duì)過(guò)程參數(shù)的變化和外界擾動(dòng)能較好的適應(yīng)[8]。本文在以上技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用PLC控制器設(shè)計(jì)燃料電池冷卻水溫控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)燃料電池水溫的穩(wěn)定控制。

1 水溫控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如下圖1所示，其中電堆為本系統(tǒng)熱源，熱量通過(guò)板式換熱器與外部冷卻水換熱。換熱量及換熱速度通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)三通閥的開(kāi)度進(jìn)行控制：電動(dòng)三通閥開(kāi)度為0時(shí)，燃料電池冷卻水全部進(jìn)行內(nèi)循環(huán)，隨著電堆的不斷發(fā)熱，水溫將逐漸升高；電動(dòng)三通閥開(kāi)度為100時(shí)，燃料電池冷卻水全部與外部冷卻水進(jìn)行換熱，水溫將快速降低。

電堆工作時(shí)，電堆發(fā)電功率的變化將引起發(fā)熱功率的變化，而外部冷卻水溫的不同也會(huì)引起換熱量的變化，這是一個(gè)非線(xiàn)性的復(fù)雜控制系統(tǒng)。本文采用模糊PID控制技術(shù)，在電堆運(yùn)行過(guò)程中對(duì)電動(dòng)三通閥的開(kāi)度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)各種不同的工況，實(shí)現(xiàn)控制模型的自適應(yīng)，達(dá)到水溫穩(wěn)定的目的。

圖1 燃料電池水溫控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)硬件部分的PLC控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用西門(mén)子S7-1500系列，上位機(jī)觸摸屏監(jiān)控本系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，上位機(jī)觸摸屏與PLC控制器之間通信方式為以太網(wǎng)。

圖2 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 水溫控制系統(tǒng)軟件流程

本系統(tǒng)軟件部分即PLC控制軟件，主要包括模糊推理和PID控制兩個(gè)方面。本文軟件開(kāi)發(fā)采用TIA Portal V15.1平臺(tái)。在PLC軟件執(zhí)行過(guò)程中，考慮到水溫的慣性和遲滯，將周期性的對(duì)PID模型的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，控制流程如圖3所示。

圖3 PLC控制流程

3 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

3.1 模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)

模糊PID技術(shù)將傳統(tǒng)PID技術(shù)與模糊理論相結(jié)合，用模糊推理去動(dòng)態(tài)優(yōu)化和調(diào)整PID控制模型。圖4為一種常見(jiàn)的模糊PID控制系統(tǒng)組成，本系統(tǒng)中各參數(shù)含義如下：

圖4 一種常見(jiàn)的模糊PID控制系統(tǒng)組成

3.2 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

1)模糊參數(shù)選定

表1 模糊PID參數(shù)表

2) 隸屬度函數(shù)確定

偏差的隸屬度函數(shù)如下圖5所示，其他參數(shù)的隸屬度函數(shù)類(lèi)似，不再贅述。

圖5 偏差的隸屬度函數(shù)

(3)模糊規(guī)則的建立

模糊規(guī)則是一種經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，將專(zhuān)家對(duì)不同控制環(huán)境下PID模型參數(shù)的取值經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行歸納，并加以調(diào)整，實(shí)現(xiàn)不同情況下的PID模型參數(shù)最優(yōu)化，即達(dá)到超調(diào)量最小、穩(wěn)態(tài)誤差最小、調(diào)整時(shí)間最短。因此，利用模糊規(guī)則可以實(shí)現(xiàn)PID模型的自適應(yīng)調(diào)整。

傳統(tǒng)PID模型按如下原則調(diào)整參數(shù)[9]：

表2 模糊控制規(guī)則

(4)模糊推理結(jié)果計(jì)算

圖6 模糊推理模型的建立

圖7 輸入輸出參數(shù)的設(shè)定

圖8 模糊規(guī)則的定義

圖9 輸出參數(shù)ΔKp熱力圖

表3 的模糊推理計(jì)算結(jié)果

因此，PID模型的動(dòng)態(tài)調(diào)整參數(shù)為：[11]

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

分別用傳統(tǒng)PID和模糊PID兩種方式對(duì)圖所示的水溫控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)過(guò)程中，為對(duì)比以上兩種控制模型的實(shí)際控制效果，保持外部冷卻水溫度、水泵轉(zhuǎn)速、循環(huán)水流量固定不變，實(shí)驗(yàn)中目標(biāo)控制水溫設(shè)定為60℃。

從上圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，相比于常規(guī)PID控制模型，模糊PID控制下的水溫調(diào)節(jié)時(shí)間更短，調(diào)節(jié)速度更快，控制精度更高，控制效果更好，具體對(duì)比指標(biāo)如下表4。

表4 常規(guī)PID和模糊PID對(duì)比指標(biāo)

5 結(jié)論

本文基于MATLAB模糊工具箱，采用離線(xiàn)計(jì)算和在線(xiàn)調(diào)整的方式，設(shè)計(jì)了燃料電池水溫控制器。利用所開(kāi)發(fā)的水溫控制系統(tǒng)，進(jìn)行了實(shí)際的對(duì)照實(shí)驗(yàn)。所測(cè)得結(jié)果顯示，在調(diào)整速度和超調(diào)量方面，模糊PID控制方法相比于傳統(tǒng)的PID都具有更好的控制效果。因而，模糊PID控制方法更適用于燃料電池水溫的實(shí)際控制。另外一個(gè)方面，模糊PID控制方法的實(shí)際效果跟調(diào)整初值也有較大的關(guān)系，因此初值選取的準(zhǔn)確與合適非常重要。目前本系統(tǒng)采用湊試法尋求調(diào)整初值，湊試法所得初值的誤差直接影響到傳統(tǒng)PID及模糊PID的控制效果。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的精確度和適應(yīng)性，可針對(duì)PID初值的確定進(jìn)行研究。

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Design of fuel cell cool water temperature control system based on Fuzzy-PID technology

Wang Zewen, Chi Feifei, Cheng Leimeng

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM911.4

A

1003-4862（2022）10-0087-05

2021-10-22

王澤文（1988-），男，工程師。研究方向：燃料電池控制技術(shù)。E-mail: wangze_wen@126.com