基于模糊PID技术的燃料电池水温控制系统设计

2022-10-20王泽文池飞飞程蕾萌

船电技术 2022年10期

关键词：电堆模糊控制冷却水

王泽文，池飞飞，程蕾萌

应用研究

基于模糊PID技术的燃料电池水温控制系统设计

王泽文，池飞飞，程蕾萌

(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

针对燃料电池水温控制问题，本文将PID和模糊控制技术进行结合，在PLC控制器基础上开发了一套控制系统，实现了PID参数的在线调整自适应。实际应用实验显示，相比于传统PID技术，本文所介绍的模糊PID控制技术，能有效降低超调量、缩短调节时间，具有更好的动态响应特性，能更好适应燃料电池的实际工程应用需求。

燃料电池水温控制模糊PID

0 引言

在燃料电池系统中，冷却水的主要作用是冷却电堆。过高、过低或者持续大范围波动的水温都不利于电堆的正常和高效工作，在水温过高等严重情况下电堆将出现不可逆转的性能衰退。因此，燃料电池水温控制非常重要[1-2]。

目前普遍使用PID控制来处理燃料电池水温控制问题，然而PID控制效果基于数学模型的准确性，精确的模型有助于实现高效和精准的控制。众所周知，水温这类控制对象往往具有大惯性、大迟滞等特点，难以建立模型。对于同时涉及其他多变量的复杂控制系统，模型的建立将更加困难，因而控制精度也难以提高。此外，常规PID控制算法各模型参数为固定值，面系统变化无法做出自适应调整，造成控制精度下降。因此，常规PID技术在燃料电池水温控制问题上难以获得预期效果[3-5]。

本文拟采用模糊PID技术来解决以上问题。模糊控制是在对人的思维和经验进行总结概括后提出的一种控制方式，可见这种控制方式不需要精确的模型[6-7]。模糊控制与PID技术的结合，可实现优势互补，达到响应快、超调小等目的，同时动态响应特性和鲁棒性较好，对过程参数的变化和外界扰动能较好的适应[8]。本文在以上技术的基础上，利用PLC控制器设计燃料电池冷却水温控制系统，实现燃料电池水温的稳定控制。

1 水温控制系统硬件结构

本系统硬件结构如下图1所示，其中电堆为本系统热源，热量通过板式换热器与外部冷却水换热。换热量及换热速度通过调节电动三通阀的开度进行控制：电动三通阀开度为0时，燃料电池冷却水全部进行内循环，随着电堆的不断发热，水温将逐渐升高；电动三通阀开度为100时，燃料电池冷却水全部与外部冷却水进行换热，水温将快速降低。

电堆工作时，电堆发电功率的变化将引起发热功率的变化，而外部冷却水温的不同也会引起换热量的变化，这是一个非线性的复杂控制系统。本文采用模糊PID控制技术，在电堆运行过程中对电动三通阀的开度进行动态调整，以适应各种不同的工况，实现控制模型的自适应，达到水温稳定的目的。

图1 燃料电池水温控制系统结构

本系统硬件部分的PLC控制器结构如图2所示，采用西门子S7-1500系列，上位机触摸屏监控本系统的运行状态，上位机触摸屏与PLC控制器之间通信方式为以太网。

图2 PLC控制系统结构

2 水温控制系统软件流程

本系统软件部分即PLC控制软件，主要包括模糊推理和PID控制两个方面。本文软件开发采用TIA Portal V15.1平台。在PLC软件执行过程中，考虑到水温的惯性和迟滞，将周期性的对PID模型的参数进行调整优化，控制流程如图3所示。

图3 PLC控制流程

3 模糊PID控制器的设计

3.1 模糊PID控制器的结构

模糊PID技术将传统PID技术与模糊理论相结合，用模糊推理去动态优化和调整PID控制模型。图4为一种常见的模糊PID控制系统组成，本系统中各参数含义如下：

图4 一种常见的模糊PID控制系统组成

3.2 模糊PID控制器的设计

1)模糊参数选定

表1 模糊PID参数表

2) 隶属度函数确定

偏差的隶属度函数如下图5所示，其他参数的隶属度函数类似，不再赘述。

图5 偏差的隶属度函数

(3)模糊规则的建立

模糊规则是一种经验总结，将专家对不同控制环境下PID模型参数的取值经验进行归纳，并加以调整，实现不同情况下的PID模型参数最优化，即达到超调量最小、稳态误差最小、调整时间最短。因此，利用模糊规则可以实现PID模型的自适应调整。

传统PID模型按如下原则调整参数[9]：

表2 模糊控制规则

(4)模糊推理结果计算

图6 模糊推理模型的建立

图7 输入输出参数的设定

图8 模糊规则的定义

图9 输出参数ΔKp热力图

表3 的模糊推理计算结果

因此，PID模型的动态调整参数为：[11]

4 实验验证

分别用传统PID和模糊PID两种方式对图所示的水温控制系统进行实验验证。试验过程中，为对比以上两种控制模型的实际控制效果，保持外部冷却水温度、水泵转速、循环水流量固定不变，实验中目标控制水温设定为60℃。

从上图实验结果可知，相比于常规PID控制模型，模糊PID控制下的水温调节时间更短，调节速度更快，控制精度更高，控制效果更好，具体对比指标如下表4。

表4 常规PID和模糊PID对比指标

5 结论

本文基于MATLAB模糊工具箱，采用离线计算和在线调整的方式，设计了燃料电池水温控制器。利用所开发的水温控制系统，进行了实际的对照实验。所测得结果显示，在调整速度和超调量方面，模糊PID控制方法相比于传统的PID都具有更好的控制效果。因而，模糊PID控制方法更适用于燃料电池水温的实际控制。另外一个方面，模糊PID控制方法的实际效果跟调整初值也有较大的关系，因此初值选取的准确与合适非常重要。目前本系统采用凑试法寻求调整初值，凑试法所得初值的误差直接影响到传统PID及模糊PID的控制效果。为了进一步提高系统的精确度和适应性，可针对PID初值的确定进行研究。

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