燃料电池发动机氢气入堆压力控制方法、装置及设备

摘要

本发明提供了一种燃料电池发动机氢气入堆压力控制方法、装置及设备，方法包括：根据发动机的目标功率获取电堆的目标输出电流；根据目标输出电流获取氢气的目标入堆压力；根据目标入堆压力及实际入堆压力计算获得误差e，并根据所述误差e计算得到误差变化率ec；将误差e、误差变化率ec输入模糊控制器以及PID控制器，根据模糊控制器输出的修正量对所述PID控制器的比例增益、微分增益和积分增益进行调节，经由调节后的比例增益、微分增益和积分增益输出氢气喷射器的目标占空比；根据目标占空比控制氢气喷射器在固定周期内开启的时间。本发明能够在排水阀频繁开闭的情况下保持氢气入堆压力的恒定，且调节时间更短，超调量也较小。

说明书

技术领域

本发明涉及燃料电池发动机领域，具体而言，涉及一种燃料电池发动机氢气入堆压力控制方法、装置及设备。

背景技术

在燃料电池发动机系统中，精准控制氢气压力极为重要，但是在发动机运行过程中，排水阀的开启和关闭对于氢气入堆压力影响极大，且无法准确估算排水阀排水量，所以容易造成氢气入堆压力频繁波动。

目前常见的控制方法有两种：

(1)通过测试标定得来经验参数进行氢气入堆压力开环控制；

(2)采用传统PID控制算法对氢气入堆压力进行闭环控制。

然而测试标定参数开环控制策略精度差，基本无抗干扰能力，而传统PID控制算法滞后严重，且抗干扰能力较弱。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种燃料电池发动机氢气入堆压力控制方法、装置及设备，以改善上述问题。

本发明采用了如下方案：

一种燃料电池发动机氢气入堆压力控制方法，其包括：

根据发动机的目标功率获取电堆的目标输出电流；

根据所述目标输出电流查表获取氢气的目标入堆压力；

根据目标入堆压力以及实际入堆压力计算获得当前入堆压力的误差e，并根据所述当前入堆压力的误差e计算得到误差变化率ec；

将所述误差e、误差变化率ec输入模糊控制器以及PID控制器，并根据模糊控制器输出的修正量对所述PID控制器的比例增益、微分增益和积分增益进行调节，再经由调节后的比例增益、微分增益和积分增益输出氢气喷射器的目标占空比；

根据所述目标占空比控制氢气喷射器在固定周期内开启的时间，以控制燃料电池发动机的氢气入堆压力。

优选地，将所述误差、误差变化率输入模糊控制器以及PID控制器，并根据模糊控制器输出的修正量对所述PID控制器的比例增益、微分增益和积分增益进行调节，再经由调节后的比例增益、微分增益和积分增益输出氢气喷射器的目标占空比，具体包括：

设定输入模糊论域范围(N，K)，输入实际论域范围(W，E)；

设定输出模糊论域范围(P，Q)，输出实际论域范围(R，T)；

计算输入量化因子K

计算输出量化因子K

在模糊控制器中设定输入变量e的隶属度函数为梯形隶属度函数，模糊语言值设定为8个、设定输入变量ec的隶属度函数为梯形隶属度函数，模糊语言值设定为7个、设定设计输出变量的隶属度函数梯形隶属度函数，模糊语言值设定为7个；其中，模糊控制器的输出变量包括PID控制器的三个参数K

在模糊控制器中，基于设定的隶属度函数以及模糊语言值，采用加权平均法进行解模糊运算，得到修正量ΔK

将所述修正量ΔK

基于修正后的参数K

优选地，在模糊控制器中，基于设定的隶属度函数以及模糊语言值，采用加权平均法进行解模糊运算，得到修正量ΔK

根据如下方法定义规则的隶属度；

u

其中，ej表示第j条规则Rule(j)要求e满足的模糊子集值，u

对每条规则下对应输出变量进行加权平均，获得修正量ΔKp、ΔKi和ΔKd；其中：

其中，

优选地，将所述修正量ΔK

其中，

本发明实施例还提供了一种燃料电池发动机氢气入堆压力控制装置，其包括：

目标输出电流获取单元，用于根据发动机的目标功率获取电堆的目标输出电流；

目标入堆压力获取单元，用于根据所述目标输出电流查表获取氢气的目标入堆压力；

误差计算单元，用于根据目标入堆压力以及实际入堆压力计算获得当前入堆压力的误差e，并根据所述当前入堆压力的误差e计算得到误差变化率ec；

目标占空比计算单元，用于将所述误差e、误差变化率ec输入模糊控制器以及PID控制器，并根据模糊控制器输出的修正量对所述PID控制器的比例增益、微分增益和积分增益进行调节，再经由调节后的比例增益、微分增益和积分增益输出氢气喷射器的目标占空比；

开启控制单元，用于根据所述目标占空比控制氢气喷射器在固定周期内开启的时间，以控制燃料电池发动机的氢气入堆压力。

优选地，目标占空比计算单元具体用于：

设定输入模糊论域范围(N，K)，输入实际论域范围(W，E)；

设定输出模糊论域范围(P，Q)，输出实际论域范围(R，T)；

计算输入量化因子K

计算输出量化因子K

在模糊控制器中设定输入变量e的隶属度函数为梯形隶属度函数，模糊语言值设定为8个、设定输入变量ec的隶属度函数为梯形隶属度函数，模糊语言值设定为7个、设定设计输出变量的隶属度函数梯形隶属度函数，模糊语言值设定为7个；其中，模糊控制器的输出变量包括PID控制器的三个参数K

在模糊控制器中，基于设定的隶属度函数以及模糊语言值，采用加权平均法进行解模糊运算，得到修正量ΔK

将所述修正量ΔK

基于修正后的参数K

优选地，修正量ΔK

根据如下方法定义规则的隶属度；

u

其中，ej表示第j条规则Rule(j)要求e满足的模糊子集值，u

对每条规则下对应输出变量进行加权平均，获得修正量ΔKp、ΔKi和ΔKd；其中：

其中，

优选地，修正后的参数K

其中，

本发明实施例还提供了一种燃料电池发动机氢气入堆压力控制设备，其包括存储器以及处理器，所述存储器内存储有计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行，以实现如上述的燃料电池发动机氢气入堆压力控制方法。

上述一个实施例中，通过把输入PID控制器的偏差e与偏差变化率ec输入三个二维模糊控制器中，分别对PID控制器的三个参数进行修正，这三个模糊控制器分别通过模糊化、近似推理和解模糊化后，把得出的三个修正量ΔKp、ΔKi和ΔKd分别输入PID控制器的三个控制量中，进而实现对PID控制器的三个参数的在线修正，如此能够在排水阀频繁开闭的情况下保持氢气入堆压力的恒定，且调节时间相较于现有的传统的PID控制算法更短，超调量也较小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明第一实施例的燃料电池发动机氢气入堆压力控制方法的流程示意图。

图2是本发明第一实施例的燃料电池发动机氢气入堆压力控制方法的逻辑原理图。

图3为输入变量e的隶属度函数图。

图4为输入变量ec的隶属度函数图。

图5为输入变量ec的隶属度函数图。

图6是本发明第二实施例的燃料电池发动机氢气入堆压力控制装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明第一实施例提供了一种燃料电池发动机氢气入堆压力控制方法，其可由燃料电池发动机氢气入堆压力控制设备(以下简称氢气入堆压力控制设备)来执行，特别的，由所述氢气入堆压力控制设备内的一个或者多个处理器来执行，以实现如下步骤：

S101，根据发动机的目标功率获取电堆的目标输出电流。

在本实施例中，特别的，所述发动机为燃料电池发动机，燃料电池发动机是一种将氢气和氧气通过电化学反应直接转化为电能的发电装置，其过程不涉及燃烧，无机械损耗，能量转化率高，产物仅为电、热和水，运行平稳，噪音低。

在本实施例中，相应的，所述燃料电池发动机氢气入堆压力控制设备可以为具备有燃料电池发动机的各种设备，例如新能源汽车或者其他动力系统等，本发明不做具体限定。

在本实施例中，在获得发动机的目标功率后，可通过查表来获得电堆的目标输出电流I

S102，根据所述目标输出电流查表获取氢气的目标入堆压力。

在本实施例中，类似的，在获得目标输出电流I

S103，根据目标入堆压力以及实际入堆压力计算获得当前入堆压力的误差e，并根据所述当前入堆压力的误差e计算得到误差变化率ec。

在本实施例中，所述当前入堆压力的误差e为目标入堆压力P

S104，将所述误差e、误差变化率ec输入模糊控制器以及PID控制器，并根据模糊控制器输出的修正量对所述PID控制器的比例增益、微分增益和积分增益进行调节，再经由调节后的比例增益、微分增益和积分增益输出氢气喷射器的目标占空比。

具体地，请一并参阅图2，步骤S104具体包括：

S1041，设定输入模糊论域范围(N，K)，输入实际论域范围(W，E)；

S1042，设定输出模糊论域范围(P，Q)，输出实际论域范围(R，T)；

S1043，计算输入量化因子K

计算输出量化因子K

S1045，在模糊控制器中设定输入变量e的隶属度函数为梯形隶属度函数，模糊语言值设定为8个(如图3所示)；设定输入变量ec的隶属度函数为梯形隶属度函数，模糊语言值设定为7个(如图4所示)；设定设计输出变量的隶属度函数梯形隶属度函数，模糊语言值设定为7个(如图5所示)；其中，模糊控制器的输出变量包括PID控制器的三个参数K

在本实施例中，PID即：Proportional(比例)、Integral(积分)、Differential(微分)的缩写。PID控制算法是结合比例、积分和微分三种环节于一体的控制算法，它是连续系统中技术最为成熟、应用最为广泛的一种控制算法，适用于对被控对象模型了解不清楚的场合。实际运行的经验和理论的分析都表明，运用这种控制规律对许多工业过程进行控制时，都能得到比较满意的效果。PID控制的实质就是根据输入的偏差值，按照比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用以控制输出。

S1046，在模糊控制器中，基于设定的隶属度函数以及模糊语言值，采用加权平均法进行解模糊运算，得到修正量ΔK

在本实施例中，结合图2，将误差e，误差变化率ec输入到模糊控制器中，再结合设定的隶属度函数以及模糊语言值，采用加权平均法对模糊控制器进行解模糊运算，就可以获得修正量ΔK

具体地，根据如下方法定义规则的隶属度；

u

其中，ej表示第j条规则Rule(j)要求e满足的模糊子集值，u

对每条规则下对应输出变量进行加权平均，获得修正量ΔK

其中，，

S1047，将所述修正量ΔK

其中，

S1048，基于修正后的参数K

其中，对于本实施例的PID控制器，其输入为误差e、误差变化率ec，三个参数分为为修正后的参数K

S105，根据所述目标占空比控制氢气喷射器在固定周期内开启的时间，以控制燃料电池发动机的氢气入堆压力。

综上所述，本实施例提供的燃料电池发动机氢气入堆压力控制方法，通过把输入PID控制器的偏差e与偏差变化率ec输入三个二维模糊控制器中，分别对PID控制器的三个参数进行修正，这三个模糊控制器分别通过模糊化、近似推理和解模糊化后，把得出的三个修正量ΔK

请参阅图6，本发明第二实施例还提供了一种燃料电池发动机氢气入堆压力控制装置，其包括：

目标输出电流获取单元210，用于根据发动机的目标功率获取电堆的目标输出电流；

目标入堆压力获取单元220，用于根据所述目标输出电流查表获取氢气的目标入堆压力；

误差计算单元230，用于根据目标入堆压力以及实际入堆压力计算获得当前入堆压力的误差e，并根据所述当前入堆压力的误差e计算得到误差变化率ec；

目标占空比计算单元240，用于将所述误差e、误差变化率ec输入模糊控制器以及PID控制器，并根据模糊控制器输出的修正量对所述PID控制器的比例增益、微分增益和积分增益进行调节，再经由调节后的比例增益、微分增益和积分增益输出氢气喷射器的目标占空比；

开启控制单元250，用于根据所述目标占空比控制氢气喷射器在固定周期内开启的时间，以控制燃料电池发动机的氢气入堆压力。

优选地，目标占空比计算单元240具体用于：

设定输入模糊论域范围(N，K)，输入实际论域范围(W，E)；

设定输出模糊论域范围(P，Q)，输出实际论域范围(R，T)；

计算输入量化因子K

计算输出量化因子K

在模糊控制器中设定输入变量e的隶属度函数为梯形隶属度函数，模糊语言值设定为8个、设定输入变量ec的隶属度函数为梯形隶属度函数，模糊语言值设定为7个、设定设计输出变量的隶属度函数梯形隶属度函数，模糊语言值设定为7个；其中，模糊控制器的输出变量包括PID控制器的三个参数K

在模糊控制器中，基于设定的隶属度函数以及模糊语言值，采用加权平均法进行解模糊运算，得到修正量ΔK

将所述修正量ΔK

基于修正后的参数K

优选地，修正量ΔK

根据如下方法定义规则的隶属度；

u

其中，ej表示第j条规则Rule(j)要求e满足的模糊子集值，u

对每条规则下对应输出变量进行加权平均，获得修正量ΔKp、ΔK

其中，

优选地，修正后的参数K

其中，

本发明第三实施例还提供了一种燃料电池发动机氢气入堆压力控制设备，其包括存储器以及处理器，所述存储器内存储有计算机程序，所述计算机程序能够被所述处理器执行，以实现如上述的燃料电池发动机氢气入堆压力控制方法。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置和方法实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，电子设备，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。