基于模糊PID技術的燃料電池水溫控制系統設計

王澤文，池飛飛，程蕾萌

應用研究

基于模糊PID技術的燃料電池水溫控制系統設計

王澤文，池飛飛，程蕾萌

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

針對燃料電池水溫控制問題，本文將PID和模糊控制技術進行結合，在PLC控制器基礎上開發了一套控制系統，實現了PID參數的在線調整自適應。實際應用實驗顯示，相比于傳統PID技術，本文所介紹的模糊PID控制技術，能有效降低超調量、縮短調節時間，具有更好的動態響應特性，能更好適應燃料電池的實際工程應用需求。

燃料電池 水溫控制 模糊PID

0 引言

在燃料電池系統中，冷卻水的主要作用是冷卻電堆。過高、過低或者持續大范圍波動的水溫都不利于電堆的正常和高效工作，在水溫過高等嚴重情況下電堆將出現不可逆轉的性能衰退。因此，燃料電池水溫控制非常重要[1-2]。

目前普遍使用PID控制來處理燃料電池水溫控制問題，然而PID控制效果基于數學模型的準確性，精確的模型有助于實現高效和精準的控制。眾所周知，水溫這類控制對象往往具有大慣性、大遲滯等特點，難以建立模型。對于同時涉及其他多變量的復雜控制系統，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PID控制算法各模型參數為固定值，面系統變化無法做出自適應調整，造成控制精度下降。因此，常規PID技術在燃料電池水溫控制問題上難以獲得預期效果[3-5]。

本文擬采用模糊PID技術來解決以上問題。模糊控制是在對人的思維和經驗進行總結概括后提出的一種控制方式，可見這種控制方式不需要精確的模型[6-7]。模糊控制與PID技術的結合，可實現優勢互補，達到響應快、超調小等目的，同時動態響應特性和魯棒性較好，對過程參數的變化和外界擾動能較好的適應[8]。本文在以上技術的基礎上，利用PLC控制器設計燃料電池冷卻水溫控制系統，實現燃料電池水溫的穩定控制。

1 水溫控制系統硬件結構

本系統硬件結構如下圖1所示，其中電堆為本系統熱源，熱量通過板式換熱器與外部冷卻水換熱。換熱量及換熱速度通過調節電動三通閥的開度進行控制：電動三通閥開度為0時，燃料電池冷卻水全部進行內循環，隨著電堆的不斷發熱，水溫將逐漸升高；電動三通閥開度為100時，燃料電池冷卻水全部與外部冷卻水進行換熱，水溫將快速降低。

電堆工作時，電堆發電功率的變化將引起發熱功率的變化，而外部冷卻水溫的不同也會引起換熱量的變化，這是一個非線性的復雜控制系統。本文采用模糊PID控制技術，在電堆運行過程中對電動三通閥的開度進行動態調整，以適應各種不同的工況，實現控制模型的自適應，達到水溫穩定的目的。

圖1 燃料電池水溫控制系統結構

本系統硬件部分的PLC控制器結構如圖2所示，采用西門子S7-1500系列，上位機觸摸屏監控本系統的運行狀態，上位機觸摸屏與PLC控制器之間通信方式為以太網。

圖2 PLC控制系統結構

2 水溫控制系統軟件流程

本系統軟件部分即PLC控制軟件，主要包括模糊推理和PID控制兩個方面。本文軟件開發采用TIA Portal V15.1平臺。在PLC軟件執行過程中，考慮到水溫的慣性和遲滯，將周期性的對PID模型的參數進行調整優化，控制流程如圖3所示。

圖3 PLC控制流程

3 模糊PID控制器的設計

3.1 模糊PID控制器的結構

模糊PID技術將傳統PID技術與模糊理論相結合，用模糊推理去動態優化和調整PID控制模型。圖4為一種常見的模糊PID控制系統組成，本系統中各參數含義如下：

圖4 一種常見的模糊PID控制系統組成

3.2 模糊PID控制器的設計

1)模糊參數選定

表1 模糊PID參數表

2) 隸屬度函數確定

偏差的隸屬度函數如下圖5所示，其他參數的隸屬度函數類似，不再贅述。

圖5 偏差的隸屬度函數

(3)模糊規則的建立

模糊規則是一種經驗總結，將專家對不同控制環境下PID模型參數的取值經驗進行歸納，并加以調整，實現不同情況下的PID模型參數最優化，即達到超調量最小、穩態誤差最小、調整時間最短。因此，利用模糊規則可以實現PID模型的自適應調整。

傳統PID模型按如下原則調整參數[9]：

表2 模糊控制規則

(4)模糊推理結果計算

圖6 模糊推理模型的建立

圖7 輸入輸出參數的設定

圖8 模糊規則的定義

圖9 輸出參數ΔKp熱力圖

表3 的模糊推理計算結果

因此，PID模型的動態調整參數為：[11]

4 實驗驗證

分別用傳統PID和模糊PID兩種方式對圖所示的水溫控制系統進行實驗驗證。試驗過程中，為對比以上兩種控制模型的實際控制效果，保持外部冷卻水溫度、水泵轉速、循環水流量固定不變，實驗中目標控制水溫設定為60℃。

從上圖實驗結果可知，相比于常規PID控制模型，模糊PID控制下的水溫調節時間更短，調節速度更快，控制精度更高，控制效果更好，具體對比指標如下表4。

表4 常規PID和模糊PID對比指標

5 結論

本文基于MATLAB模糊工具箱，采用離線計算和在線調整的方式，設計了燃料電池水溫控制器。利用所開發的水溫控制系統，進行了實際的對照實驗。所測得結果顯示，在調整速度和超調量方面，模糊PID控制方法相比于傳統的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際控制。另外一個方面，模糊PID控制方法的實際效果跟調整初值也有較大的關系，因此初值選取的準確與合適非常重要。目前本系統采用湊試法尋求調整初值，湊試法所得初值的誤差直接影響到傳統PID及模糊PID的控制效果。為了進一步提高系統的精確度和適應性，可針對PID初值的確定進行研究。

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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。E-mail: wangze_wen@126.com