摘 要： 燃料電池及其應(yīng)用在汽車上的性能主要依賴于當(dāng)前溫度、濕度、純度及流速等參數(shù)。重點(diǎn)研究流控制在單電池電極裝配中的實(shí)現(xiàn)。提出一種基于遞歸最小方差辨識(shí)的算法來計(jì)算非線性參數(shù)，本文設(shè)計(jì)了一種基于模糊控制的系統(tǒng)來取代傳統(tǒng)的流控制系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞： 流速；模糊控制；燃料電池
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燃料電池(Fuel Cell)在國外作為新型能源被廣泛應(yīng)用在車輛及其他高污染發(fā)電工具上。隨著全球原油價(jià)格的不斷攀升以及空氣污染和溫室效應(yīng)的日益加重，國際國內(nèi)燃油市場對燃料電池的需求大大增加。燃料電池所使用的“氫”燃料可以來自于任何的碳?xì)浠衔?，例如天然氣、甲醇、乙醇、水的電解、沼氣等?BR> 傳統(tǒng)方法根據(jù)電化學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)等原理來對燃料電池的復(fù)雜非線性動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行建模。早期的研究集中于建立用Nernst公式、氣體傳播公式等來描述物理變化的穩(wěn)定狀態(tài)模型。近期研究更多集中在對動(dòng)態(tài)子系統(tǒng)進(jìn)行建模[1]，通過一階系統(tǒng)來管理空氣壓縮、慣性傳導(dǎo)和能量守恒；進(jìn)一步的研究包括結(jié)合靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性、建立時(shí)域空域模型等。這些研究的共同特點(diǎn)是對動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行建模，但是無法表征燃料電池的非線性特性和系統(tǒng)響應(yīng)。事實(shí)上，燃料電池內(nèi)部的非線性特性及時(shí)變特性難以用系統(tǒng)辨識(shí)和控制的傳統(tǒng)方法來描述，而模糊控制方法可改善傳統(tǒng)模型的局限性。
1 燃料電池原理
燃料電池的基本原理如圖1所示。電池含有陰陽兩個(gè)電極，分別充滿電解液，兩個(gè)電極間為具有滲透性的薄膜。 氫氣由燃料電池的陽極進(jìn)入，氧氣（或空氣）由陰極進(jìn)入燃料電池。經(jīng)由催化劑使得陽極的氫原子分解，其中質(zhì)子被氧“吸引”到薄膜的另一邊，電子則經(jīng)由外電路形成電流后到達(dá)陰極。在陰極催化劑作用下，氫質(zhì)子、氧及電子發(fā)生反應(yīng)形成水分子。聚合物電解質(zhì)膜（polymer electrolyte membrane）技術(shù)具有設(shè)計(jì)緊湊、重量輕、可在低溫下操作和快速啟動(dòng)等特點(diǎn)，所使用的固體聚合物更具有便于構(gòu)造和快速負(fù)載響應(yīng)的特性。
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傳統(tǒng)研究采用Nernst公式、陽極陰極氣體傳播和動(dòng)力學(xué)等對燃料電池進(jìn)行控制策略的建模。從系統(tǒng)角度看，氫氣和氧氣以可調(diào)整的流速形式做為輸入變量輸入系統(tǒng)，燃料電池的電壓和電流做為輸出變量。如圖2所示。
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2 燃料電池系統(tǒng)辨識(shí)模型
2.1 模型辨識(shí)的模型
模型辨識(shí)的步驟通常為：先選取適當(dāng)?shù)哪Ｐ托问?，再確定模型的階，最后估計(jì)模型的參數(shù)。根據(jù)燃料電池的特性，選用ARX模型[2]，它可直接利用所測的輸入輸出數(shù)據(jù)，反映對象的動(dòng)態(tài)過程，還能方便地用于控制系統(tǒng)中。
??? 為了確保燃料電池的安全性，防止諧波引起數(shù)據(jù)過大而溢出，采用諸如偽隨機(jī)二進(jìn)制序列做為系統(tǒng)激勵(lì)信號(hào)。
2.2 遞推最小二乘法辨識(shí)
根據(jù)模型類型和結(jié)構(gòu)以及篩選出來的輸入輸出數(shù)據(jù)，采用遞推最小二乘法辨識(shí)模型參數(shù)。遞歸最小二乘法可利用過去的輸入輸出信號(hào)對系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)測，同時(shí)不斷更新系統(tǒng)辨識(shí)參數(shù)。由于燃料電池具有非線性特性，遞推最小二乘法可跟蹤其特性變化。其中w(k)為估計(jì)誤差，在第k步之后對數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，新的輸出信號(hào)和參數(shù)計(jì)算如下：
其中K(n)為估計(jì)的增益，表示參數(shù)估計(jì)的相關(guān)信息。P(n)為協(xié)方差矩陣，表示估計(jì)值和實(shí)際值之間的差異，P(0)為初始化值。λ為遺忘因子，介于0和1之間。
2.3 遞推最小二乘仿真結(jié)果
假設(shè)輸入流為氫氣流速和氧氣流速，輸出為電池的電流和電壓，采用遞推最小二乘法來獲得系統(tǒng)傳遞函數(shù)的參數(shù)。圖3為采用二階的遞推最小二乘法得到的輸出功率響應(yīng)。圖中兩條線分別表示原始傳遞函數(shù)輸出的功率響應(yīng)和采用二階的遞推最小二乘法輸出的功率響應(yīng)。從圖中可知遞推最小二乘法可較好地反映系統(tǒng)特性。
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3 燃料電池的模糊控制系統(tǒng)
3.1 模糊控制系統(tǒng)原理
模糊邏輯控制(Fuzzy Logic Control)簡稱模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。它直接采用語言型控制規(guī)則，出發(fā)點(diǎn)是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專家的知識(shí)，在設(shè)計(jì)中不需要建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，因而使得控制機(jī)理和策略易于接受與理解，設(shè)計(jì)簡單，便于應(yīng)用。典型的模糊控制系統(tǒng)如圖4所示[3]。
由于模糊控制能夠很好地表征非線性系統(tǒng)，因此在燃料電池控制系統(tǒng)中被用來描述非線性特性。
3.2 本文采用的模糊控制規(guī)則
燃料電池的動(dòng)態(tài)控制是一個(gè)非線性控制問題。可以采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)來控制其電壓輸出，根據(jù)這些輸入、輸出數(shù)據(jù)對集合設(shè)計(jì)一個(gè)模糊系統(tǒng)。模糊系統(tǒng)采用的算法就是查表法。
該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)對任何輸入都對應(yīng)著一個(gè)輸出的控制器。V和VC代表加載時(shí)需要的輸入電壓和當(dāng)前設(shè)置點(diǎn)的電壓，△u表示流控制的輸出范圍。其中V∈[-5，5]，VC∈[-5，5]，△u∈[-2，2]。在V∈[-5，5]上定義5個(gè)模糊集，在VC∈[-5，5]上定義7個(gè)模糊集，在△u∈[-2，2]上定義5個(gè)模糊集，如公式(9)和(10)所示。
它們的隸屬函數(shù)的圖形見圖5(a)和圖5(b)，其中S3、S2、S1、CE、B1、B2、B3分別代表負(fù)極值、負(fù)中值、負(fù)小值、零值、正小值、正中值和正極值。表1則為模糊控制器的規(guī)則庫，逆模糊控制采用離散質(zhì)心算法來計(jì)算。
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4 仿真實(shí)驗(yàn)
如圖6所示為采用不同的控制方式對燃料電池進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果。圖中橫軸表示時(shí)間，縱軸表示輸出功率，兩條曲線分別代表典型PID控制的響應(yīng)曲線和模糊控制的響應(yīng)曲線。從圖中可知，模糊控制器的響應(yīng)相對 PID的響應(yīng)更加快速，并且更早到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。
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從實(shí)驗(yàn)可知，模糊控制器可以控制躍變過程并使得功率泄漏較?。辉诖笮腿剂想姵亟M中模糊控制算法表現(xiàn)更優(yōu)；負(fù)載需求增加時(shí)模糊控制的方法可以降低內(nèi)部的抖動(dòng)。
進(jìn)一步的工作會(huì)將該模糊控制策略擴(kuò)展為在線的方法，通過調(diào)整時(shí)變處理算法來更好地跟蹤燃料電池的特性并得到更大的增益。
參考文獻(xiàn)
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[3] LIN Chin Teng，JUANG Chia Feng，HUANG Jui Cheng.Temperature control of rapid thermal processing system?using adaptive fuzzy network[J].Fuzzy Sets and Systems，1999，103：49-65.