第五章 电池系统控制算法研究
5.1 引言。
国内外对燃料电池的研究主要集中在化工、材料、降低成本等方面，对燃料电池的控制方面的研究有待进一步深入。本文对燃料电池系统进行分析可以得出有以下几个特点：
（1）非线性特性：电池堆中的湿度与燃料气与氧化剂的组分、浓度、流量、流速、利用率之间，输出电压与电流、温度分布等之间有非常复杂的非线性关系。
（2）分布参数特性：电堆中各单体及单体各点的湿度、电流密度等参数不仅具有时变性，而且在空间上是可变的，具有分布性。
（3）大滞后：燃料电池的湿度、电流等参数不仅与燃料气与氧化剂的流量、流速之间有较大的滞后关系，改变燃料气与氧化剂的流量、流速后，湿度和电流密度并不马上改变，而是要滞后一段时间才变化。滞后对实时控制提出了更高的要求。
（4）多输入多输出：燃料电池有多个输入、输出变量，输入有燃料气与氧化剂的组成、浓度流量、流速和利用率等，输出有燃料电池的输出电压、电功率和热功率等。
（5）有约束：燃料气与氧化剂的浓度、流量、流速和利用率，湿度、电流密度和输出电压等都是有限制的变量。
（6）有随机干扰：燃料电池的负载的变化和输入反应物的变化都对系统有随机干扰。
因此，燃料电池系统是一个多输入多输出、有约束、有随机干扰、大滞后和分布参数特性非线性系统，对这样一个系统的控制是很困难的。因此，要根据系统的不同特性，提出比较实用的控制方案，满足控制中实时性自适应性的要求。
PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的线性控制系统。而实际燃料电池发动机控制系统中具有非线性、时变不确定性，是很难建立精确的数学模型，应用常规的PID算法，其控制参数难以自动满足要求，从而影响了其控制控制效果的进一步提高。模糊控制要利用人的经验知识技巧和直接推理，不依赖被控对象的精确数学模型，其应用愈来愈受到人们的关注[47,48].
随现代控制理论（诸如智能控制、自适应控制模糊控制和神经网络技术等）研究和应用的发展与深入，为控制复杂无规则系统开辟了新途径。
5.2PID 控制原理及应用。
按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器（简称PID调节器），是连续系统中技术成熟、应用最为广泛一种调节器。它的结构简单，参数易于调整，在长期应用中己积累了丰富的经验。对于一个建模精度不高的线性系统的控制问题，最先考虑的是采用结构简单、鲁棒性较强的PID控制器[49].
5.2.1PID 控制原理。
在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是 PID 控制。常规 PID 控制系统原理框图。系统由模拟 PID 控制器和被控对象组成。
5.2.2PID 控制作用的特点。
PID控制算法中，存在着比例、积分和微分三种控制作用。这三种控制作用的特点如下：
（1）比例控制作用的特点：
比例环节就是成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减小偏差。控制作用的强弱取决于Kp,缺点是存在静态误差。
Kp越大，系统的动作越灵敏，速度加快。但是当Kp太大时，导致系统超调增大，振荡次数增多，调节加长，使系统的动态性能变坏，系统会趋于不稳定。若Kp太小，又会使系统的动作缓慢。
（2）积分控制作用的特点：
积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。Ki越大，系统静态误差消除越快，不足之处在于积分作用具有滞后特性，积分作用太强会降低系统的响应速度，增加系统的超调量，导致闭环系统不稳定。若Ki过小，将使系统静态误差难以消除，影响系统的调节精度。
（3）微分控制作用的特点：
微分环节能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的响应速度，减小超调量，克服振荡，增强系统的稳定性。但是，它对干扰信号同样敏感，会使系统抑制干扰的能力下降。
5.2.3PID 控制在燃料电池控制中的运用。
在整个发动机控制系统中，水热管理为燃料电池动力系统研究和开发的核心关键技术之一。对电堆最为关键的控制是循环冷却水出口温度的控制。影响PEMFC因素众多，其中温度对于PEMFC性能的影响十分显着。
PEMFC在运行中不断产生热量，如不及时排出多余的热量，其内部将逐渐升温。温度升高，使电池反应的速度加快，获得更大的电流。较高的温度有利于燃料电池的反应产物，随过量反应气体及时排除掉。当温度接近100℃度时，由于PEMFC采用的是聚合物电解质，质子膜的强度将下降。此时，如不及时降温，膜会被完全破坏。而且温度过高，水易呈气态，不利于膜电极内维持必要的水分。
当电池内部温度过低时，输出电压将下降，电池组整体性能恶化[50].维持PEMFC内部正常电化学反应的温度应保持在70~90℃。
研制25kW的质子交换膜燃料电池中，循环水从电堆中经过，通过传导带走电堆的热量，流经散热片，并通过外面的冷却风扇来降温。从而保证了燃料电池较高的工作效率，获得了令人满意的效果。
5.3 模糊 PID 控制。
在燃料电池冷却水控制系统的工作中，由于电堆功率、水泵的流速、风扇的转速存在着非线性不确定的关系，再加上外界的干扰，尤其是当控制对象和各个参数发生变化时，PID控制必须对参数重新整定才能实现对燃料电池工作环境的精确、稳定的控制。本文针对这一问题，以控制燃料电池冷却风扇的电压为研究对象，针对PID参数不易在线自调整的局限，综合运用模糊控制和PID控制的优点设计出一种在线整定PID控制器三个参数的Fuzzy-PID控制器，以实现对冷却循环水系统的优化控制[54].
5.3.1 模糊控制技术。
控制论的创始人维纳在谈到人胜过任何最完美的机器时说"人具有运用模糊概念的能力".人脑的重要特点之一，就是能对模糊事物进行识别和判决。如何使计算机能够模拟人脑思维的模糊性特点，使部分自然语言作为算法语言直接进入计算机程序，使计算机完成更复杂的任务，这正是模糊数学和模糊控制产生的直接背景[55].
模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制。从线性控制与非线性控制的角度分类，模糊控制是一种非线性控制。
因为模糊控制也属于计算机数字控制的一种形式，因此模糊控制系统的组成类同于一般的数字控制系统。
模糊控制（Fuzzy Control）是一种基于规则的智能控制方式，它不依赖于被控对象的精确数学模型，特别适宜对具有复杂系统或过程的控制，且控制方法简单，鲁棒性好。
模糊控制器包括控制规则库、测量输入模糊化、模糊推理算法及模糊判决4个部分。模糊控制系统的关键是确定模糊控制规则库，它一般是根据操作人员的实际操作经验综合而成。在实现模糊控制时，必须先建立好模糊控制规则库。模糊控制的计算主要包括3个过程[56].
（1）精确量的模糊化：即把精确的测量输入信号转换成一系统如正大（PB）、正中（PM）等模糊语言变量，其方法是先将测量输入进行分级转换，后通过查隶属度赋值表，将其归类于某一业模糊子集。隶属度赋值表根据实际情况人为确定。
（2）模糊推理：根据已建立好的控制规则库及测量输入信号的模糊变量，采用一种推理方法（如取大一取小方法）获得一个模糊输出集合。
（3）模糊变量的精确化：该过程称为模糊判决过程。由推理得到的模糊输出变量是一个模糊子集，但被控对象只能接受精确的控制量。因此，需要解决将模糊量转化为精确量的判决问题。现有的判决方法有多种，如最大隶属度法、取中位数方法等。
从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制效果越好。但是维数高的模糊控制器实现起来相当复杂和困难，通常采用二维模糊控制器。二维模糊控制器是以被调量与定值之间的误差E和误差变化率EC为输入变量。因此它具有类似于常规PD控制器的作用，采用该类模糊控制器的控制系统可以获得良好的动态品质，但被调量的静态偏差难于消除。PID控制器具有积分作用，能方便地消除被调量的静态偏差，但当被调量偏差较大且变化很快时，PID调节器的动作速度比模糊控制系统慢，不利于有效地克服快速增加的被调量偏差。
5.3.2Fuzzy-PID 控制器的结构和原理。
PID控制器结构简单、工作稳定、鲁棒性强，但是对于静态与动态性能之间的矛盾、跟踪设定值与抑制振动之间的矛盾、鲁棒性与控制性能之间的矛盾等方面还没有得到很好的解决，为此通常不得不采用折衷的方法，致使系统不能获得最佳的控制效果。
对于PID控制存在的问题，应该认为并不是PID本身引起的，而是PID控制中P、I、D的线性组合、系统特性变化与控制量之间的线性映射关系所造成的。P、I、D三种控制作用，对于获得良好的控制来说都是必要的，但还不是充分的。
模糊控制是一种智能控制方法，它将控制人员的控制经验用控制规则的形式表达出来，具有控制适应性、控制过程平滑等特点，但由于其本质上属于PD控制器，无法消除静态衰减[57].如将二者结合起来，根据控制都对PID控制器设计经验，利用模糊控制法，将PID控制参数的实时调整策略制定为模糊控制规则，实现PID控制器的在线参数实时调整。由此构成的模糊自整定PID控制器，实际上是对PID控制器进行了非线性处理，实现了系统特性变化与控制量之间的非线性映射关系，从而把PID控制与模糊控制的各自长处结合起来，是一种性能更优良的新型智能控制器[58].
首先根据模糊数学的理论和方法，将操作人员的调整经验的技术支持总结成为IF（条件）、THEN（结果）形式的模糊规则，并把这些模糊规则及相关信息（如初始的PID参数）存入计算机中，根据系统的响应情况，计算出实时的偏差e及偏差的变化ec,输入控制器，采用模糊推理，进行模糊运算，即可得到该时刻的KP,Ki,Kd实现对PID参数的最佳调整。Fuzzy-PID控制器主要是由模糊化、模糊推理、去模糊化三部分组成。
Fuzzy-PID控制器是在PID参数预整定的基础上，利用模糊规则实时在线整定PID的三个参数，以实现对燃料电池工作温度的优化控制。
5.3.3Fuzzy-PID 控制器的设计。
（1）模糊控制器语言变量的选择温度偏差。
根据PID参数自整定原则，用于PID参数控制的模糊控制器采用二输入三输出的模糊控制器。该模糊控制器是以输入偏差e,偏差变化ec作为模糊化模糊控制器的输入语言量、KP,Ki,Kd作为输出语言变量，在本课题所设计的Fuzzy-PID控制器中，输入输出的变量的文字语言值均分为7个语言值{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}用字母表示为{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}.
5.3.4 模糊自整定 PID 参数控制系统仿真。
在 Matlab 中提供的动态系统仿真工具 Simulink 和 Fuzzy Logic Tool box 使基于模糊控制系统的计算机仿真变得极为方便和有效。
在此次仿真过程中，首先使用模糊控制工具箱的 FIS（FuzzyInferenceSystem）编辑器按前面步骤建立，利用 Simulink 创建模糊自整定 PID 参数控制的冷循环水控制系统[60]. PID 控制器是利用 Simulink 中的创建子系统功能（CreateSubsystem）建立参数可控的 PID 控制器，参数可控式 PID 仿真框.同样 DCmotor 模块与 watersystem 模块仿真框图。
5.3.5Fuzzy-PID 算法在燃料电池控制系统应用结果与分析通过以上仿真，采用Fuzzy-PID设计出来的冷却水控制系统，能够成功的把燃料电池电堆的出口水温控制在给定温度范围内。把普通PID控制和Fuzzy-PID控制在保证外部环境相同的条件下，所做的仿真控制过程中进行了对比。
其中曲线1为常规PID控制器的的响应曲线，曲线2为Fuzzy-PID控制器的响应曲线，可以很明显的看出使用Fuzzy-PID参数自整定算法后，系统的响应速度加快，超调量减小，其动态性能均得到改善。燃料电池冷却水控制系统在硬件上采用MCU进行时实控制，具有调试简单、精度高，可靠性好的优点。
5.4 本章小结。
PID 控制器结构简单，是许多工业领域应用最为广泛的一种调节器。在燃料电池系统冷却循环水系统中，也充分利用了 PID 的控制，在众多影响 PEMFC 因素中，温度对于 PEMFC 性能的影响十分显着。特别是冷却循环水的出口温度不能过高，否则不仅使电池的性能降低，而且对电堆的寿命和安全造成很严重的影响。针对这种情况，对燃料电池系统设计了了 PID 控制器，并对其进行了应用研究，理论分析和实验结果都表明，系统在应用了 PID 控制器明显改善了系统品质响应，但是针对系统复杂性和非线形，及多种干扰因素，PID 的参数不易在线调整，于是设计了 Fuzzy-PID 控制器，应用 Fuzzy-PID 控制器控制系统，使系统不仅具有良好的动、静态品质，且具有较强的抗干扰能力及参数时变的适应能力，即使在外界环境比较恶劣时该算法仍可达到较好的控制效果。
