模糊pid算法在燃料電池散熱系統中的應用的製作方法
2023-05-16 10:16:01
專利名稱：模糊pid算法在燃料電池散熱系統中的應用的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池系統散熱技術，更具體地說，是一種模糊PID算法在燃料電池散熱系統中的應用。
背景技術：
燃料電池是一種將燃料中的化學能直接轉化變成電能的發電裝置。燃料電池系統的溫度控制是燃料電池系統控制的重要環節，其控制效果對系統輸出、系統性能、系統壽命都有很大影響。本文研究了燃料電池溫度控制系統；針對燃料電池散熱系統的大慣性、大超調提出了模糊PID控制及徑向神經網絡PI控制，利用仿真分析，對比兩種控制方法的控制效果，選擇了徑向神經網絡PI控制；經過實驗，結果表明使用該算法進行溫度控制與傳統方法相比具有響應速度快，超調小，動態好等特點。PEMFC (質子交換膜燃料電池)正常工作溫度範圍較窄，目前PEMFC的正常工作溫度在60-80度之間，過低的溫度會降低催化劑活性，增大歐姆阻抗；溫度過高則會導致質子交換膜脫水，電導率下降。對於燃料電池而言，最理想的情況是電堆內部溫度完全一致，這樣有助於提高電堆內部單片電池的一致性，有利於改善電堆性能和延長電堆壽命。但是燃料電池化學反應產生的熱要由低溫介質帶出電堆，因此電堆內部必須有一定的溫度差，這樣多餘的熱量才能夠由電堆內轉移到冷卻介質並帶出電堆。通過控制冷卻介質流出溫度， 從而把電堆溫度控制在一定的範圍之內。因為PID控制器結構簡單，容易實現。現大多工業控制現場仍然採用PID控制算法。但由於燃料電池系統具有時變性、強耦合性以及電池內部工作參數不確定，在加上外界負載和環境溫度的擾動，使得傳統的PID控制難以獲得理想的效果。同時PID控制是基於誤差反饋控制，即系統穩定時，系統輸出和控制量存在穩態誤差。
發明內容
由於現有技術存在的上述問題，本發明的目的是提出一種模糊PID算法在燃料電池散熱系統中的應用，將模糊控制和PID控制結合的模糊PID控制將具有模糊控制的靈活、 適應性強、控制精度高的優點，並根據實際工況運行模糊推理實現在線調節PID參數。為實現本發明的目的，本發明提出的模糊PID算法在燃料電池散熱系統中的應用，該燃料電池散熱系統包括與燃料電池連接的水箱，該水箱通過循環水泵及相應的管道與散熱器和散熱風扇連接，一主控制器通過傳感器採集燃料電池的數據信號傳送給一風扇控制器，該風扇控制器控制所述散熱風扇的轉速，並通過模糊PID控制算法得出所述散熱風扇的相應轉速實現相應的散熱能力，該模糊PID控制算法包括以下步驟
1)採集當前採樣時刻燃料電池的溫度；
2)計算誤差值e (k)和誤差變化率ec (k)， e (k) =r (k) -y (k), ec (k) = (e (k) -e (k-1)) /T,其中 r(k)為燃料電池設定溫度，y (k)為實際採集到的燃料電池的溫度，其中，K為採樣序號，T為採樣時間；
33)將系統誤差e和誤差變化率ec變化範圍定義為模糊集上的論域，其模糊子集為e ，ec = { NB ,匪，NS，ZO，PS，PM，PB}(這個跟前面的論域是什麼關係，怎麼得出的？前面有11個數字，這裡是7個)，子集中元素分別代表負大，負中，負小，零，正小，正中，正大，將e(k)，ec(k)根據該模糊子集模糊化。4)建立模糊規則表，得到針對不同的誤差e和誤差變化率ec所對應的ΔΚρ，ΔKi, Δ Kd，並根據以下公式進行自適應校正，並計算Kp，Ki, Kd
Kp = Kp『 + { e『 , ec' } ΔΚρ Ki = Ki' + { e' , ec' } ΔKi Kd = Kd' + { e' ，ec' } AKd 其中Kp'為上一個周期的Kp; Ki'為上一個周期的Ki; Kd'為上一個周期的Kd; e'為上一個周期的誤差變化； ec'為上個周期的誤差變化率；
5)根據PID離散控制算法，計算PID控制器輸出u (k)，從而控制所述散熱風扇的相應轉速實現相應的散熱能力，式中k為採樣序號，T為採樣時間。作為本發明的進一步特徵，以上所述步驟4)中還包括將ΔΚρ，ΔKi，ΔKd變化範圍定義為模糊集上的論域，其模糊子集ΔΚρ，AKi，AKd = { NB，匪，NS，ZO，PS ,PM，ΡΒ}(這個跟前面的論域是什麼關係，怎麼得出的？前面有11個數字，這裡是7個)， 子集中元素分別代表負大，負中，負小，零，正小，正中，正大。作為本發明的進一步特徵，所述傳感器包括溫度傳感器和電流傳感器。由於採用以上技術方案，本發明的模糊PID算法在燃料電池散熱系統中的應用，其通過模糊PID控制算法(以各個溫度為關鍵參數)得出相應轉速並實現相應的散熱能力。本發明將模糊控制和PID控制結合的模糊PID控制具有模糊控制的靈活、適應性強、控制精度高的優點。
下面根據附圖和具體實施例對本發明作進一步說明 圖1為本發明中燃料電池散熱系統的結構圖
圖2為本發明模糊控制器流程圖。
具體實施例方式如圖1所示，該燃料電池散熱系統包括與燃料電池1連接的水箱3，該水箱3通過循環水泵4及相應的管道與散熱器和散熱風扇5連接，一主控制器(FCU》通過溫度傳感器和電流傳感器採集燃料電池的溫度、電流數據信號傳送給風扇控制器6，該風扇控制器6控制散熱風扇的轉速即控制散熱量，圖1中負載7為燃料電池供電對象，箭頭表示散熱系統中冷卻水的流向，水泵4負責執行水循環，水箱3負責存儲冷卻水，通過模糊PID控制算法得出散熱風扇的相應轉速實現相應的散熱能力，如圖2所示，該模糊PID控制算法包括以下步驟1)採集當前採樣時刻燃料電池的溫度；
2 )計算誤差值e (k)和誤差變化率ec(k),e (k) =r (k) -y (k)， ec(k)= (e(k)-e(k-l))/T,其中r(k)為燃料電池設定溫度，y (k)為實際採集到的燃料電池的溫度，其中，K為採樣序號，T為採樣時間；
3)將系統誤差e和誤差變化率ec變化範圍定義為模糊集上的論域，其模糊子集為 e，ec = { NB ,匪，NS，ZO，PS，PM，PB}(這個跟前面的論域是什麼關係，怎麼得出的？前面有11個數字，這裡是7個)，子集中元素分別代表負大，負中，負小，零，正小，正中，正大，將e(k)，ec(k)根據該模糊子集模糊化。4)建立模糊規則表，得到針對不同的誤差e和誤差變化率ec所對應的 Δ Kp, Δ Ki, Δ Kd，並根據以下公式進行自適應校正，並計算Kp，Ki, Kd Kp = Kp『 + { e『 , ec' } ΔKp
Ki = Ki' + { e' , ec' } ΔKi
Kd = Kd' + { e' ，ec' } AKd
其中Kp'為上一個周期的Kp; Ki'為上一個周期的Ki;
Kd'為上一個周期的Kd;
e'為上一個周期的誤差變化；
ec'為上個周期的誤差變化率；
5)根據PID離散控制算法，計算PID控制器輸出u(k)，從而控制所述散熱風扇的相應轉速實現相應的散熱能力，式中k為採樣序號，T為採樣時間。本發明中ΔΚρ，Δ Ki，AKd變化範圍也定義為模糊集上的論域，其模糊子集 Δ Kp , Δ Ki , Δ Kd = { NB ,匪，NS，ZO , PS，PM，PB}(這個跟前面的論域是什麼關係，怎麼得出的？前面有11個數字，這裡是7個)，子集中元素分別代表負大，負中，負小，零，正小，正中，正大。本發明所述的模糊規則表，可根據如下規律所示，可得到針對不同的誤差e和誤差變化率ec所對應的ΔΚρ，ΔKi, AKd。
(ΔΚρ，AKi , AKd代表什麼？怎麼得出的？)
權利要求
1.模糊PID算法在燃料電池散熱系統中的應用，其特徵在於該燃料電池散熱系統包括與燃料電池連接的水箱，該水箱通過循環水泵及相應的管道與散熱器和散熱風扇連接，一主控制器通過傳感器採集燃料電池的數據信號傳送給一風扇控制器，該風扇控制器控制所述散熱風扇的轉速，並通過模糊PID控制算法得出所述散熱風扇的相應轉速實現相應的散熱能力，該模糊PID控制算法包括以下步驟採集當前採樣時刻燃料電池的溫度；計算誤差值e (k)和誤差變化率ec (k)，e(k)=r(k)-y(k),ec(k)= (e (k)-e (k-1))/T,其中 r(k)為燃料電池設定溫度，y(k)為實際採集到的燃料電池的溫度，其中，K為採樣序號，T為採樣時間；將系統誤差e和誤差變化率ec變化範圍定義為模糊集上的論域，其模糊子集為e，ec = { NB ,匪，NS，ZO，PS，PM，PB}(這個跟前面的論域是什麼關係，怎麼得出的？前面有11個數字，這裡是7個)，子集中元素分別代表負大，負中，負小，零，正小，正中，正大，將e (k)，ec (k)根據該模糊子集模糊化；建立模糊規則表，得到針對不同的誤差e和誤差變化率ec所對應的ΔΚρ，ΔKi, AKd,並根據以下公式進行自適應校正，並計算Kp，Ki, Kd
2.根據權利要求1所述的模糊PID算法在燃料電池散熱系統中的應用，其特徵在於以上所述步驟4)中還包括將ΔΚρ，ΔKi，ΔKd變化範圍定義為模糊集上的論域，其模糊子集ΔΚρ，Δ Ki , Δ Kd = { NB ,NM，NS，ZO，PS，PM，ΡΒ}(這個跟前面的論域是什麼關係，怎麼得出的？前面有11個數字，這裡是7個)，子集中元素分別代表負大，負中，負小，零，正小，正中，正大。
3.根據權利要求1或2所述的模糊PID算法在燃料電池散熱系統中的應用，其特徵在於所述傳感器包括溫度傳感器和電流傳感器。
全文摘要
本發明公開一種模糊PID算法在燃料電池散熱系統中的應用，該燃料電池散熱系統包括與燃料電池連接的水箱，該水箱通過循環水泵及相應的管道與散熱器和散熱風扇連接，一主控制器通過傳感器採集燃料電池的數據信號傳送給一風扇控制器，該風扇控制器控制散熱風扇的轉速，並通過模糊PID控制算法得出散熱風扇的相應轉速實現相應的散熱能力。本發明將模糊控制和PID控制結合的模糊PID控制具有模糊控制的靈活、適應性強、控制精度高的優點。
文檔編號H01M8/04GK102569857SQ20121003682
公開日2012年7月11日 申請日期2012年2月17日 優先權日2012年2月17日
發明者卞磊, 吳偉, 左琳琳, 張潔, 徐加忠, 王江, 金秀龍, 顧榮鑫, 馬天才 申請人:崑山弗爾賽能源有限公司