1.本發(fā)明涉及燃料電池領(lǐng)域，尤其涉及一種基于燃料電池空氣路壓強(qiáng)和流量的解耦控制方法。

背景技術(shù)：

2.空氣路系統(tǒng)的流量-壓強(qiáng)聯(lián)合控制策略要求控制空氣壓強(qiáng)和質(zhì)量流量均跟隨軌跡，以確保正常運(yùn)行。在流量-壓強(qiáng)聯(lián)合控制過程中，空壓機(jī)是燃料電池系統(tǒng)中關(guān)鍵部位，空壓機(jī)用于向燃料電池陰極提供壓縮空氣。當(dāng)前燃料電池系統(tǒng)廣泛采用的壓縮機(jī)為離心式壓縮機(jī)，在車載應(yīng)用時由于負(fù)載變化，必須相應(yīng)地調(diào)節(jié)供應(yīng)氣體的質(zhì)量流量，但是此時由于空壓機(jī)的流量-壓強(qiáng)耦合性導(dǎo)致壓強(qiáng)控制困難，在嚴(yán)重的情況下，壓強(qiáng)波動可能會破壞質(zhì)子交換膜，縮短燃料電池堆的使用壽命，同時導(dǎo)致電壓輸出品質(zhì)變差。壓強(qiáng)和流量的聯(lián)合控制對燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行至關(guān)重要，為解決空壓機(jī)引起的流量-壓強(qiáng)耦合問題，在燃料電池空氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上在背壓管路增加可變排量的背壓系統(tǒng)，通過協(xié)調(diào)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速與背壓閥開度可以實現(xiàn)壓強(qiáng)控制過程中的流量壓強(qiáng)解耦控制。

3.現(xiàn)有空氣路解耦技術(shù)控制采用簡單的反饋控制器在流量環(huán)控制的基礎(chǔ)上加上了壓強(qiáng)環(huán)，但是流量和壓強(qiáng)收斂速度較慢；此外，采用前饋解耦算法對流量-壓力可進(jìn)行解耦控制，但對于非線性系統(tǒng)不適用；部分專利或文獻(xiàn)采用pi控制和滑?？刂品謩e進(jìn)行流量和壓強(qiáng)控制，但對控制效果改善很小。

4.傳統(tǒng)的pi控制的研究基本都是對于穩(wěn)態(tài)效果的研究和分析，但未對動態(tài)響應(yīng)效果進(jìn)行具體分析，解耦具體效果也未體現(xiàn)出來，而且pi控制器主要對低頻有較大的放大作用，高頻信號增益會降低。同時關(guān)于系統(tǒng)對傳感器采集信號的處理并未體現(xiàn)出來。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

5.本發(fā)明目的在于提供了一種實用性更強(qiáng)，工程化可以實現(xiàn)，對比于智能算法和模糊算法等工程化實現(xiàn)難的問題，有相應(yīng)的優(yōu)勢的基于燃料電池空氣路壓強(qiáng)和流量的解耦控制方法。

6.為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于燃料電池空氣路壓強(qiáng)和流量的解耦控制方法，包括以下步驟：

7.步驟一、搭建被控對象模型；

8.步驟二、給定壓強(qiáng)和反饋壓強(qiáng)的差值，經(jīng)過改進(jìn)的pr算法，輸出為背壓閥開度；給定流量和反饋流量的差值，經(jīng)過改進(jìn)的pr算法，輸出為空壓機(jī)轉(zhuǎn)速，改進(jìn)的pr算法的模型為：

[0009][0010]kp

表示控制器的比例增益，ωc表示截止頻率，ω0表示諧振角頻率，kr表示控制器的積分增益。

[0011]

對本發(fā)明提供的一種基于燃料電池空氣路壓強(qiáng)和流量的解耦控制方法，所述步驟一中的被控對象模型包括空氣路管路壓力模型、背壓閥模型、流量模型、空壓機(jī)模型中的一種或者多種。

[0012]

對本發(fā)明提供的一種基于燃料電池空氣路壓強(qiáng)和流量的解耦控制方法，還包括步驟三，所述步驟三包括：對于所述步驟二中的反饋流量和反饋壓強(qiáng)進(jìn)行濾波處理。

[0013]

對本發(fā)明提供的一種基于燃料電池空氣路壓強(qiáng)和流量的解耦控制方法，所述步驟三中的濾波處理是為了避免傳感器采樣過程中的誤差和抖動現(xiàn)象。

[0014]

對本發(fā)明提供的一種基于燃料電池空氣路壓強(qiáng)和流量的解耦控制方法，所述k

p

是為了增大開環(huán)增益，增加控制精度。

[0015]

對本發(fā)明提供的一種基于燃料電池空氣路壓強(qiáng)和流量的解耦控制方法，所述kr是為了降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

[0016]

綜上所述，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

[0017]

本發(fā)明使用改進(jìn)的pr控制器進(jìn)行流量和壓強(qiáng)的解耦，經(jīng)過pr控制器輸出分別為空壓機(jī)轉(zhuǎn)速和背壓閥開度，實現(xiàn)完全解耦。

[0018]

上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下以本發(fā)明的較佳實施例詳細(xì)說明如后。

附圖說明

[0019]

圖1是本發(fā)明的一種燃料電池空氣路解耦控制方法的空氣路流量壓強(qiáng)解耦框圖；

[0020]

圖2是開環(huán)流量壓強(qiáng)圖；

[0021]

圖3是閉環(huán)流量壓強(qiáng)圖。

具體實施方式

[0022]

下面結(jié)合實施例和附圖，對本發(fā)明的具體實施方式作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。

[0023]

實施例

[0024]

本發(fā)明的一種燃料電池空氣路解耦控制方法，包括以下步驟：

[0025]

步驟一、搭建被控對象模型，主要包括空氣路管路壓力模型，背壓閥模型，流量模型，空壓機(jī)模型等；

[0026]

步驟二、根據(jù)步驟一獲得被控對象模型，給定壓強(qiáng)和反饋壓強(qiáng)的差值，經(jīng)過改進(jìn)的pr算法，輸出為背壓閥開度；給定流量和反饋流量的差值，經(jīng)過改進(jìn)的pr算法，輸出為空壓機(jī)轉(zhuǎn)速，控制框圖如圖1所示。

[0027]

改進(jìn)的pr算法的模型為：

[0028][0029]kp

表示控制器的比例增益，ωc表示截止頻率，ω0表示諧振角頻率，kr表示控制器的積分增益。

[0030]

通過bode圖分析，pi控制器對高頻信號的增益會較低，對低頻信號有較大的放大作用，假如對一個高頻信號進(jìn)行控制，系統(tǒng)的跟蹤效果會明顯變差，而且低頻噪聲也會很

大。

[0031]

理想的pr控制器只對單一頻率起作用，所以工程實用價值不強(qiáng)。

[0032]

改進(jìn)的pr控制器既可以對高頻信號控制良好也可以對低頻信號控制良好，其中k

p

是為了增大開環(huán)增益，增加控制精度，kr是為了降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

[0033]

該控制算法首先相對于理想pr算法的單一頻率點起作用，該算法的實用性更強(qiáng)，而且規(guī)避了理想pi算法高頻增益衰減的問題，最重要的該算法工程化可以實現(xiàn)，對比于智能算法和模糊算法等工程化實現(xiàn)難的問題，這個也有相應(yīng)的優(yōu)勢。

[0034]

步驟三、對于步驟二反饋流量和反饋壓強(qiáng)進(jìn)行濾波處理，為了避免傳感器采樣過程中的誤差和抖動現(xiàn)象。

[0035]

為驗證本發(fā)明的優(yōu)越性，圖2和圖3給出了進(jìn)行解耦控制前后的流量，壓強(qiáng)波形。為敘述方便，在本實施例中利用開環(huán)指代未進(jìn)行流量壓強(qiáng)解耦的方案，閉環(huán)指代采用本發(fā)明的流量壓強(qiáng)解耦算法。

[0036]

開環(huán)測試的目的在于驗證系統(tǒng)的壓強(qiáng)流量的耦合性的確存在，閉環(huán)測試的目的為了驗證經(jīng)過流量壓強(qiáng)的解耦控制，可以得到壓強(qiáng)流量完全解耦。

[0037]

測試條件選擇流量遞增壓強(qiáng)不變-流量不變壓強(qiáng)遞增-流量遞減壓強(qiáng)遞減，這樣做的目的是為了改變流量壓強(qiáng)保持不變，可以觀測在流量發(fā)生變化時，壓強(qiáng)是否隨著波動或進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)；改變壓強(qiáng)流量保持不變，這樣可以觀測壓強(qiáng)變化時，流量是否隨著波動或進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。

[0038]

開環(huán)流量壓強(qiáng)圖和閉環(huán)流量壓強(qiáng)圖分別如圖2和圖3所示。通過圖2開環(huán)流量壓強(qiáng)圖可以得出，流量在發(fā)生變化時，壓強(qiáng)也跟隨著波動；壓強(qiáng)發(fā)生變化時，流量也跟隨者波動；流量和壓強(qiáng)相互作用，證明其耦合性存在。通過圖3閉環(huán)流量壓強(qiáng)圖可以得出，流量發(fā)生變化時，壓強(qiáng)無波動；壓強(qiáng)發(fā)生變化時，流量也無波動；流量和壓強(qiáng)的相互作用經(jīng)過解耦已經(jīng)不存在，實現(xiàn)完全解耦。

[0039]

現(xiàn)有空氣路解耦技術(shù)控制采用簡單的反饋控制器在流量環(huán)控制的基礎(chǔ)上加上了壓強(qiáng)環(huán)，但是流量和壓強(qiáng)收斂速度較慢；此外，采用前饋解耦算法對流量-壓力可進(jìn)行解耦控制，但對于非線性系統(tǒng)不適用；部分專利或文獻(xiàn)采用pi控制和滑模控制分別進(jìn)行流量和壓強(qiáng)控制，但對控制效果改善很小。另外，傳統(tǒng)的pi控制的研究基本都是對于穩(wěn)態(tài)效果的研究和分析，但未對動態(tài)響應(yīng)效果進(jìn)行具體分析，解耦具體效果也未體現(xiàn)出來，而且pi控制器主要對低頻有較大的放大作用，高頻信號增益會降低。同時關(guān)于系統(tǒng)對傳感器采集信號的處理并未體現(xiàn)出來。

[0040]

本發(fā)明對空氣路解耦的控制方法的一種優(yōu)化和改進(jìn)，運(yùn)用的改進(jìn)的pr算法進(jìn)行解耦控制，對反饋回路采用濾波算法，避免傳感器采樣的抖動和毛刺，改進(jìn)pr算法解決pi算法高頻信號增益衰弱的特點，并對系統(tǒng)的動態(tài)性能進(jìn)行驗證，確定流量壓強(qiáng)完全解耦。

[0041]

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，并不用于限制本發(fā)明，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。

[0042]

除非另外定義，否則本文中所用的術(shù)語具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員的通常所理解相同的含義。應(yīng)進(jìn)一步理解，術(shù)語應(yīng)被解釋為具有與其在相關(guān)技術(shù)以及本發(fā)明的上下文中的含義一致的含義，并且不應(yīng)以理想化或過度形式化意義進(jìn)行解釋，除非本文中明

確地這樣定義。技術(shù)特征：

1.一種基于燃料電池空氣路壓強(qiáng)和流量的解耦控制方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟一、搭建被控對象模型；步驟二、給定壓強(qiáng)和反饋壓強(qiáng)的差值，經(jīng)過改進(jìn)的pr算法，輸出為背壓閥開度；給定流量和反饋流量的差值，經(jīng)過改進(jìn)的pr算法，輸出為空壓機(jī)轉(zhuǎn)速，改進(jìn)的pr算法的模型為：k

p

表示控制器的比例增益，ω

c

表示截止頻率，ω0表示諧振角頻率，k

r

表示控制器的積分增益。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于燃料電池空氣路壓強(qiáng)和流量的解耦控制方法，其特征在于：所述步驟一中的被控對象模型包括空氣路管路壓力模型、背壓閥模型、流量模型、空壓機(jī)模型中的一種或者多種。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于燃料電池空氣路壓強(qiáng)和流量的解耦控制方法，其特征在于：還包括步驟三，所述步驟三包括：對于所述步驟二中的反饋流量和反饋壓強(qiáng)進(jìn)行濾波處理。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于燃料電池空氣路壓強(qiáng)和流量的解耦控制方法，其特征在于：所述步驟三中的濾波處理是為了避免傳感器采樣過程中的誤差和抖動現(xiàn)象。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于燃料電池空氣路壓強(qiáng)和流量的解耦控制方法，其特征在于：所述k

p

是為了增大開環(huán)增益，增加控制精度。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于燃料電池空氣路壓強(qiáng)和流量的解耦控制方法，其特征在于：所述k

r

是為了降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明涉及基于燃料電池空氣路壓強(qiáng)和流量的解耦控制方法；首先搭建被控對象模型，然后將給定壓強(qiáng)和反饋壓強(qiáng)的差值，經(jīng)過改進(jìn)的PR算法，輸出為背壓閥開度；將給定流量和反饋流量的差值，經(jīng)過改進(jìn)的PR算法，輸出為空壓機(jī)轉(zhuǎn)速；本發(fā)明的實用性強(qiáng)，而且規(guī)避了PI算法高頻增益衰減的問題，工程化也可以實現(xiàn)，對比于智能算法和模糊算法等工程化實現(xiàn)難的問題，有相應(yīng)的優(yōu)勢。應(yīng)的優(yōu)勢。應(yīng)的優(yōu)勢。

技術(shù)研發(fā)人員：楊夢軍 周洪雷 董震 董清華 李剛

受保護(hù)的技術(shù)使用者：蘇州溯馭技術(shù)有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2022.03.21

技術(shù)公布日：2022/6/3