專利名稱：模糊pid算法在燃料電池散熱系統(tǒng)中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池系統(tǒng)散熱技術(shù)，更具體地說，是一種模糊PID算法在燃料電池散熱系統(tǒng)中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
燃料電池是一種將燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化變成電能的發(fā)電裝置。燃料電池系統(tǒng)的溫度控制是燃料電池系統(tǒng)控制的重要環(huán)節(jié)，其控制效果對(duì)系統(tǒng)輸出、系統(tǒng)性能、系統(tǒng)壽命都有很大影響。本文研究了燃料電池溫度控制系統(tǒng)；針對(duì)燃料電池散熱系統(tǒng)的大慣性、大超調(diào)提出了模糊PID控制及徑向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI控制，利用仿真分析，對(duì)比兩種控制方法的控制效果，選擇了徑向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PI控制；經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明使用該算法進(jìn)行溫度控制與傳統(tǒng)方法相比具有響應(yīng)速度快，超調(diào)小，動(dòng)態(tài)好等特點(diǎn)。PEMFC (質(zhì)子交換膜燃料電池)正常工作溫度范圍較窄，目前PEMFC的正常工作溫度在60-80度之間，過低的溫度會(huì)降低催化劑活性，增大歐姆阻抗；溫度過高則會(huì)導(dǎo)致質(zhì)子交換膜脫水，電導(dǎo)率下降。對(duì)于燃料電池而言，最理想的情況是電堆內(nèi)部溫度完全一致，這樣有助于提高電堆內(nèi)部單片電池的一致性，有利于改善電堆性能和延長(zhǎng)電堆壽命。但是燃料電池化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱要由低溫介質(zhì)帶出電堆，因此電堆內(nèi)部必須有一定的溫度差，這樣多余的熱量才能夠由電堆內(nèi)轉(zhuǎn)移到冷卻介質(zhì)并帶出電堆。通過控制冷卻介質(zhì)流出溫度， 從而把電堆溫度控制在一定的范圍之內(nèi)。因?yàn)镻ID控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)大多工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)仍然采用PID控制算法。但由于燃料電池系統(tǒng)具有時(shí)變性、強(qiáng)耦合性以及電池內(nèi)部工作參數(shù)不確定，在加上外界負(fù)載和環(huán)境溫度的擾動(dòng)，使得傳統(tǒng)的PID控制難以獲得理想的效果。同時(shí)PID控制是基于誤差反饋控制，即系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)輸出和控制量存在穩(wěn)態(tài)誤差。

發(fā)明內(nèi)容
由于現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本發(fā)明的目的是提出一種模糊PID算法在燃料電池散熱系統(tǒng)中的應(yīng)用，將模糊控制和PID控制結(jié)合的模糊PID控制將具有模糊控制的靈活、 適應(yīng)性強(qiáng)、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)，并根據(jù)實(shí)際工況運(yùn)行模糊推理實(shí)現(xiàn)在線調(diào)節(jié)PID參數(shù)。為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提出的模糊PID算法在燃料電池散熱系統(tǒng)中的應(yīng)用，該燃料電池散熱系統(tǒng)包括與燃料電池連接的水箱，該水箱通過循環(huán)水泵及相應(yīng)的管道與散熱器和散熱風(fēng)扇連接，一主控制器通過傳感器采集燃料電池的數(shù)據(jù)信號(hào)傳送給一風(fēng)扇控制器，該風(fēng)扇控制器控制所述散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，并通過模糊PID控制算法得出所述散熱風(fēng)扇的相應(yīng)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的散熱能力，該模糊PID控制算法包括以下步驟
1)采集當(dāng)前采樣時(shí)刻燃料電池的溫度；
2)計(jì)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(shè)定溫度，y (k)為實(shí)際采集到的燃料電池的溫度，其中，K為采樣序號(hào)，T為采樣時(shí)間；
33)將系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec變化范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(gè)跟前面的論域是什么關(guān)系，怎么得出的？前面有11個(gè)數(shù)字，這里是7個(gè))，子集中元素分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大，將e(k)，ec(k)根據(jù)該模糊子集模糊化。4)建立模糊規(guī)則表，得到針對(duì)不同的誤差e和誤差變化率ec所對(duì)應(yīng)的ΔΚρ，ΔKi, Δ Kd，并根據(jù)以下公式進(jìn)行自適應(yīng)校正，并計(jì)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(gè)周期的Kp; Ki'為上一個(gè)周期的Ki; Kd'為上一個(gè)周期的Kd; e'為上一個(gè)周期的誤差變化； ec'為上個(gè)周期的誤差變化率；
5)根據(jù)PID離散控制算法，計(jì)算PID控制器輸出u (k)，從而控制所述散熱風(fēng)扇的相應(yīng)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的散熱能力，式中k為采樣序號(hào)，T為采樣時(shí)間。作為本發(fā)明的進(jìn)一步特征，以上所述步驟4)中還包括將ΔΚρ，ΔKi，ΔKd變化范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(gè)跟前面的論域是什么關(guān)系，怎么得出的？前面有11個(gè)數(shù)字，這里是7個(gè))， 子集中元素分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大。作為本發(fā)明的進(jìn)一步特征，所述傳感器包括溫度傳感器和電流傳感器。由于采用以上技術(shù)方案，本發(fā)明的模糊PID算法在燃料電池散熱系統(tǒng)中的應(yīng)用，其通過模糊PID控制算法(以各個(gè)溫度為關(guān)鍵參數(shù))得出相應(yīng)轉(zhuǎn)速并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的散熱能力。本發(fā)明將模糊控制和PID控制結(jié)合的模糊PID控制具有模糊控制的靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。


下面根據(jù)附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明 圖1為本發(fā)明中燃料電池散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖
圖2為本發(fā)明模糊控制器流程圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，該燃料電池散熱系統(tǒng)包括與燃料電池1連接的水箱3，該水箱3通過循環(huán)水泵4及相應(yīng)的管道與散熱器和散熱風(fēng)扇5連接，一主控制器(FCU》通過溫度傳感器和電流傳感器采集燃料電池的溫度、電流數(shù)據(jù)信號(hào)傳送給風(fēng)扇控制器6，該風(fēng)扇控制器6控制散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速即控制散熱量，圖1中負(fù)載7為燃料電池供電對(duì)象，箭頭表示散熱系統(tǒng)中冷卻水的流向，水泵4負(fù)責(zé)執(zhí)行水循環(huán)，水箱3負(fù)責(zé)存儲(chǔ)冷卻水，通過模糊PID控制算法得出散熱風(fēng)扇的相應(yīng)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)相應(yīng)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)采集當(dāng)前采樣時(shí)刻燃料電池的溫度；
2 )計(jì)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(shè)定溫度，y (k)為實(shí)際采集到的燃料電池的溫度，其中，K為采樣序號(hào)，T為采樣時(shí)間；
3)將系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec變化范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(gè)跟前面的論域是什么關(guān)系，怎么得出的？前面有11個(gè)數(shù)字，這里是7個(gè))，子集中元素分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大，將e(k)，ec(k)根據(jù)該模糊子集模糊化。4)建立模糊規(guī)則表，得到針對(duì)不同的誤差e和誤差變化率ec所對(duì)應(yīng)的 Δ Kp, Δ Ki, Δ Kd，并根據(jù)以下公式進(jìn)行自適應(yīng)校正，并計(jì)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(gè)周期的Kp; Ki'為上一個(gè)周期的Ki;
Kd'為上一個(gè)周期的Kd;
e'為上一個(gè)周期的誤差變化；
ec'為上個(gè)周期的誤差變化率；
5)根據(jù)PID離散控制算法，計(jì)算PID控制器輸出u(k)，從而控制所述散熱風(fēng)扇的相應(yīng)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的散熱能力，式中k為采樣序號(hào)，T為采樣時(shí)間。本發(fā)明中ΔΚρ，Δ Ki，AKd變化范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(gè)跟前面的論域是什么關(guān)系，怎么得出的？前面有11個(gè)數(shù)字，這里是7個(gè))，子集中元素分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大。本發(fā)明所述的模糊規(guī)則表，可根據(jù)如下規(guī)律所示，可得到針對(duì)不同的誤差e和誤差變化率ec所對(duì)應(yīng)的ΔΚρ，ΔKi, AKd。
(ΔΚρ，AKi , AKd代表什么？怎么得出的？)
權(quán)利要求
1.模糊PID算法在燃料電池散熱系統(tǒng)中的應(yīng)用，其特征在于該燃料電池散熱系統(tǒng)包括與燃料電池連接的水箱，該水箱通過循環(huán)水泵及相應(yīng)的管道與散熱器和散熱風(fēng)扇連接，一主控制器通過傳感器采集燃料電池的數(shù)據(jù)信號(hào)傳送給一風(fēng)扇控制器，該風(fēng)扇控制器控制所述散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，并通過模糊PID控制算法得出所述散熱風(fēng)扇的相應(yīng)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的散熱能力，該模糊PID控制算法包括以下步驟采集當(dāng)前采樣時(shí)刻燃料電池的溫度；計(jì)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(shè)定溫度，y(k)為實(shí)際采集到的燃料電池的溫度，其中，K為采樣序號(hào)，T為采樣時(shí)間；將系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec變化范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(gè)跟前面的論域是什么關(guān)系，怎么得出的？前面有11個(gè)數(shù)字，這里是7個(gè))，子集中元素分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大，將e (k)，ec (k)根據(jù)該模糊子集模糊化；建立模糊規(guī)則表，得到針對(duì)不同的誤差e和誤差變化率ec所對(duì)應(yīng)的ΔΚρ，ΔKi, AKd,并根據(jù)以下公式進(jìn)行自適應(yīng)校正，并計(jì)算Kp，Ki, Kd
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模糊PID算法在燃料電池散熱系統(tǒng)中的應(yīng)用，其特征在于以上所述步驟4)中還包括將ΔΚρ，ΔKi，ΔKd變化范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(gè)跟前面的論域是什么關(guān)系，怎么得出的？前面有11個(gè)數(shù)字，這里是7個(gè))，子集中元素分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的模糊PID算法在燃料電池散熱系統(tǒng)中的應(yīng)用，其特征在于所述傳感器包括溫度傳感器和電流傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開一種模糊PID算法在燃料電池散熱系統(tǒng)中的應(yīng)用，該燃料電池散熱系統(tǒng)包括與燃料電池連接的水箱，該水箱通過循環(huán)水泵及相應(yīng)的管道與散熱器和散熱風(fēng)扇連接，一主控制器通過傳感器采集燃料電池的數(shù)據(jù)信號(hào)傳送給一風(fēng)扇控制器，該風(fēng)扇控制器控制散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，并通過模糊PID控制算法得出散熱風(fēng)扇的相應(yīng)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的散熱能力。本發(fā)明將模糊控制和PID控制結(jié)合的模糊PID控制具有模糊控制的靈活、適應(yīng)性強(qiáng)、控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H01M8/04GK102569857SQ20121003682
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月17日
發(fā)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(qǐng)人:昆山弗爾賽能源有限公司