一种基于液压仿真模型的燃料电池空气回路流量压力解耦方法、系统、电子设备和存储介质

摘要

本发明公开了一种基于液压仿真模型的燃料电池空气回路流量压力解耦方法、系统、电子设备和存储介质，本发明在空气压缩机的转速区间对转速进行间隔取值，在背压阀的开度区间内间隔对工况点进行取值，对流量和压比情况进行数据筛选，将转速、开度对应流量、压比数据形成数表文件，生成参考模型；基于参考模型，反馈出实际流量和实际压力，循环调节转速和背压阀开度，直到满足流量及压力的精度要求。本发明通过降低标定数据需求数量，可以快速完成对燃料电池系统空气回路的流量压力控制解耦，缩短调试时间，能够通过提供适当数据搭建前期的参考模型，实现燃料电池空气回路流量压力的解耦，实际试验中流量及压力，精度即可达到95％以上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃料电池空气回路流量压力解耦方法、系统、电子设备和存储介质，尤其涉及一种基于液压仿真模型的燃料电池空气回路流量压力解耦方法、系统、电子设备和存储介质。

背景技术

离心式空压机在工作时，转速的提升会导致流量与压比同时提升，且空压机整体耐压性较差，空气回路中背压的变化对流量影响严重，这就使得传统的P.I.D调节方式难以满足燃料电池系统频繁的调压变流需求。目前常用的解耦方式有模型参考自适应解耦和神经网络解耦两种方法。神经网络解耦精度高，但难以实现在整车控制器上的移植及应用；模型参考自适应解耦精度适中，运算简单，但须适当数据做前期参考模型搭建。综上所述，现有技术已经不能满足人们的要求，亟需进行改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于液压仿真模型的燃料电池空气回路流量压力解耦方法、系统、电子设备和存储介质，通过降低标定数据需求数量，可以快速完成对燃料电池系统空气回路的流量压力控制解耦，缩短调试时间，解决现有技术存在的缺憾。

本发明提供了下述方案：

一种基于液压仿真模型的燃料电池空气回路流量压力解耦方法，具体包括：

明确工况调整梯度，定义空气压缩机的转速区间，对转速进行间隔取值；

将背压阀开度分为0-1的区间，在开度区间内间隔对工况点进行取值；

批量运行转速区间取值和背压阀开度取值，得到不同转速和背压开度下的空压机提供的流量和压比情况，并进行数据筛选；

将获得的所有转速、开度对应流量、压比数据形成数表文件，生成参考模型；

基于参考模型，确定离该操作条件最近的参考工况点，空气系统执行该参考转速与参考开度，反馈出实际流量和实际压力；

循环调节转速和背压阀开度，直到满足流量及压力的精度要求。

进一步的，所述定义空气压缩机的转速区间，对转速进行间隔取值，具体为：每间隔固定数值取一个转速点，转速区间为1～5万转/分。

进一步的，所述每隔固定数值取一个转速点，具体为：每间隔500转进行一次取值；所述在开度区间内间隔对工况点进行取值，具体为每隔0.05开度进行一次取值。

进一步的，所述循环调节转速和背压开度，具体为：

调节转速，消除初始参考条件所引起的一次流量调节误差；

调节背压阀开度，消除由于转速调节及初始参考条件所带来的一次压力调节误差；

进行转速二次调节，消除背压调节引起的二次流量调节误差；

重复上述过程，直到满足精度要求。

进一步的，所述液压仿真模型为AMESim平台。

一种基于液压仿真模型的燃料电池空气回路流量压力解耦系统，具体包括：

转速区间取值模块，用于明确工况调整梯度，定义空气压缩机的转速区间，对转速进行间隔取值；

背压阀开度取值模块，用于将背压阀开度分为0-1的区间，在开度区间内间隔对工况点进行取值；

流量压比数据筛选模块，用于批量运行转速区间取值和背压阀开度取值，得到不同转速和背压阀开度下的空压机提供的流量和压比情况，并进行数据筛选；

参考模型生成及运行模块，用于将获得的所有转速、开度对应流量、压比数据形成数表文件，生成参考模型；基于参考模型，确定离该操作条件最近的参考工况点，空气系统执行该参考转速与参考开度，反馈出实际流量和实际压力；

转速及背压调整模块，用于循环调节转速和背压阀开度，直到满足流量及压力的精度要求。

进一步的，所述转速区间取值模块用于对转速进行间隔取值，具体为：每间隔固定数值取一个转速点，转速区间为1～5万转/分。

进一步的，所述每隔固定数值取一个转速点，具体为：每间隔500转进行一次取值。

一种电子设备，包括：处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；所述存储器中存储有计算机程序，当所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，其存储有可由电子设备执行的计算机程序，当所述计算机程序在所述电子设备上运行时，使得所述电子设备执行所述方法的步骤。

本发明与现有技术相比具有以下的优点：

本发明通过降低标定数据需求数量，可以快速完成对燃料电池系统空气回路的流量压力控制解耦，缩短调试时间。

与现有技术的常用的神经网络解耦方法相比，虽然神经网络解耦精度高，但难以实现在整车控制器上的移植及应用，本发明采用的模型参考自适应解耦精度适中，运算简单，能够通过提供适当数据搭建前期的参考模型，实现燃料电池空气回路流量压力的解耦。

本文将以模型参考自适应解耦作为主要说明对象。模型参考自适应解耦控制的原理为，当指令信号输入到控制器的同时也输入到参考模型中，并以参考模型的输出值作为样板，与可调系统的过程量作比较，得到广义误差，然后根据此误差确定控制器的调节值，使广义误差和调节误差渐进或收敛为零。

本发明通过循环调节转速和背压阀开度，消除由于转速调节及初始参考条件所带来的一次压力调节误差，以及消除背压调节引起的二次流量调节误差，实际试验中进行二次转速调节和一次背压调节后的流量及压力，精度即可达到95％以上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。

图1是本发明燃料电池空气回路流量压力解耦方法的流程图。

图2是本发明燃料电池空气回路流量压力解耦系统的架构图。

图3是参考模型的原理示意图。

图4是参考模型自适应解耦控制的流程图。

图5是AMESim数据采集模型的整体架构图。

图6是Python脚本的运行逻辑原理图。

图7是解耦控制逻辑原理图。

图8是解耦模型对空气回路流量进行解耦控制的数据效果图。

图9是解耦模型对空气回路压比进行解耦控制的数据效果图。

图10是电子设备的系统构架图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示基于液压仿真模型的燃料电池空气回路流量压力解耦方法，在本实施例中解耦方法基于仿真模型AMESim平台，解耦方法的步骤具体包括：

步骤S1，转速区间取值：明确工况调整梯度，定义空气压缩机的转速区间，对转速进行间隔取值，转速梯度指的是每时间单元的实际转速的改变(也就是转速梯度或转速加速度)。

步骤S2，背压阀开度取值：将背压阀开度分为0-1的区间，在开度区间内间隔对工况点进行取值；

步骤S3，流量压比数据筛选：批量运行转速区间取值和背压阀开度取值，得到不同转速和背压开度下的空压机提供的流量和压比情况，并进行数据筛选，剔除不合理数据；在本实施例中，批量运行转速区间取值和背压阀开度值，分别指的是在步骤S1和步骤S2中，对转速进行间隔取值形成转速区间取值，以及在开度区间内间隔对工况点进行取值形成背压阀开度值。

步骤S4，生成参考模型：将获得的所有转速、开度对应流量、压比数据形成数表文件，生成参考模型；

步骤S5，运行参考模型：基于参考模型，确定离该操作条件最近的参考工况点，空气系统执行该参考转速与参考开度，反馈出实际流量和实际压力；

步骤S6，循环调节参数：循环调节转速和背压阀开度，直到满足流量及压力的精度要求。

优选的，定义空气压缩机的转速区间，对转速进行间隔取值，具体为：每间隔固定数值取一个转速点，转速区间为1～5万转/分。

优选的，每隔固定数值取一个转速点，具体为：每间隔500转进行一次取值；

在开度区间内间隔对工况点进行取值，具体为每隔0.05取一点。

优选的，循环调节转速和背压开度，具体为：

调节转速，消除初始参考条件所引起的一次流量调节误差；

调节背压阀开度，消除由于转速调节及初始参考条件所带来的一次压力调节误差；

进行转速二次调节，消除背压调节引起的二次流量调节误差；

重复上述过程，直到满足精度要求。

如图2所示的本发明燃料电池空气回路流量压力解耦的系统架构图，具体包括：

转速区间取值模块，用于明确工况调整梯度，定义空气压缩机的转速区间，对转速进行间隔取值；

背压阀开度取值模块，用于将背压阀开度分为0-1的区间，在开度区间内间隔对工况点进行取值；

流量压比数据筛选模块，用于得到不同转速和背压阀开度下的空压机提供的流量和压比情况，并进行数据筛选；

参考模型生成及运行模块，用于获得的所有转速、开度对应流量、压比数据，生成数表文件，生成参考模型；基于参考模型，确定离该操作条件最近的参考工况点，空气系统执行该参考转速与参考开度，反馈出实际流量和实际压力；

转速及背压调整模块，用于循环调节转速和背压阀开度，直到满足流量及压力的精度要求。

优选的，转速区间取值模块用于对转速进行间隔取值，具体为：每间隔固定数值取一个转速点，转速区间为1～5万转/分。

优选的，每隔固定数值取一个转速点，具体为：每间隔500转进行一次取值。

值得注意的是，虽然在本系统的架构图中只披露了转速区间取值模块、背压阀开度取值模块、流量压比数据筛选模块、参考模型生成及运行模块、转速及背压调整模块等基本功能模块，但并不意味着本系统的组成仅仅局限于上述基本功能模块，相反，本发明所要表达的意思是：在上述基本功能模块的基础之上本领域技术人员可以结合现有技术任意添加一个或多个功能模块，形成无穷多个实施例或技术方案，也就是说本系统是开放式而非封闭式的，不能因为本实施例仅仅披露了个别基本功能模块，就认为本发明权利要求的保护范围局限于所公开的基本功能模块。同时，为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元、模块分别描述。当然在实施本申请时可以把各单元、模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。

如图3至图9所示的本发明的一个可能的实施例，本实施例提供了一个基于液压仿真模型的燃料电池空气回路流量压力解耦方法、系统的具体应用场景。

如图3所示，参考模型自适应解耦控制的原理为：当指令信号输入到控制器的同时也输入到参考模型中，并以参考模型的输出值作为样板，与可调系统的过程量作比较，得到广义误差，然后根据此误差确定控制器的调节值，使广义误差和调节误差渐进或收敛为零。基于以上原理，参考模型的获取对模型参考自适应解耦至关重要，而参考模型的本质，实际为不同流量压比组合下，空气回路所对应的转速及背压开度值。

通常，样板模型的获取基于实测数据采集，对硬件支撑及数据数量有较高要求，越详细的参考模型将越有助于解耦模型实现快速调节稳定，为搭建较高精度的参考模型，可能需要几千甚至几万组实测数据，这在工程上几乎是不可能的。本发明基于AMESim平台，搭建参考模型数据采集模型，通过少量实测数据完成模型搭建，再利用Python脚本，完成庞大的工况矩阵计算，依托大量仿真数据，完成参考模型转化，参考模型的原理示意图展现了数据采集的过程。

根据与数据采集模型配合运算的Python脚本逻辑图可以看出，在这个具体应用场景中，首先明确工况调整梯度，定义压缩机转速区间，然后每隔固定数值取一个转速点，如转速区间为1～5万转/分，每隔500转取一点，将背压阀开度分为0～1，每隔定值取一个点，如每隔0.05取一点，批量运行上述工况点，得到不同转速和背压开度下的空压机提供的流量和压比情况。

但是，在这些数据中势必存在不合理数据，需要对已有数据进行筛选，例如根据空压机工作MAP图，在每个特定流量下，不同的空压机转速将会提供不同的压比，但由于超速区和喘振区的存在，会使压比存在一个最高值和最低值。可以根据当前流量下所对应的压比是否在上述区域内来判断该数据点是否合理；同理也可能存在其他限制类约束条件，比如最低最高转速等。基于以上设定，将自动运行获得的所有转速、开度对应流量、压比数据自动生成数表文件，形成参考模型。

基于参考模型，本实施例中的空气系统的解耦控制流程是：收到目标流量和目标压力，基于参考模型，确定离该操作条件最近的参考工况点，空气系统随即执行该参考转速与参考开度，随即反馈出实际流量和实际压力，但与目标流量和目标压比势必存在一定的广义误差。为消除掉该广义误差，采取的调节措施为流量优先策略，即优先保证流量达到目标值，可相应的牺牲压力。

基于参考模型进行参数调节的具体执行顺序为：优先调节转速，消除初始参考条件所引起的一次流量调节误差；随后调节被压开度，消除由于转速调节及初始参考条件所带来的一次压力调节误差；再随后进行转速二次调节，消除背压调节引起的二次流量调节误差，以此反复。根据参考模型的精度，及对调节量的精度需求，可限制具体的循环次数，图5示例中仅为二次转速调节，一次背压调节。根据实际经验来讲，进行二次转速调节和一次背压调节后的流量及压力精度可达到95％以上。

解耦模型的实际运行情况可以通过数据图形化进行展示，如图8和图9所示，可见该解耦模型对空气回路流量及压比的解耦控制效果良好，目标流量/实际流量与目标压力\实际压力之间的曲线重合度很高。

如图10所示，本发明还公开了与基于液压仿真模型的燃料电池空气回路流量压力解耦方法、系统对应的电子设备和存储介质：

一种电子设备，包括：处理器、通信接口、存储器和通信总线，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信；存储器中存储有计算机程序，当计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行基于液压仿真模型的燃料电池空气回路流量压力解耦方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，其存储有可由电子设备执行的计算机程序，当计算机程序在电子设备上运行时，使得电子设备执行基于液压仿真模型的燃料电池空气回路流量压力解耦方法的步骤。

上述电子设备提到的通信总线可以是外设部件互连标准(Peripheral ComponentInterconnect，PCI)总线或扩展工业标准结构(Extended Industry StandardArchitecture，EISA)总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图中仅用一条粗线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。

电子设备包括硬件层，运行在硬件层之上的操作系统层，以及运行在操作系统上的应用层。该硬件层包括中央处理器(CPU，Central Processing Unit)、内存管理单元(MMU，Memory Management Unit)和内存等硬件。该操作系统可以是任意一种或多种通过进程(Process)实现电子设备控制的计算机操作系统，例如，Linux操作系统、Unix操作系统、Android操作系统、iOS操作系统或windows操作系统等。并且在本发明实施例中该电子设备可以是智能手机、平板电脑等手持设备，也可以是桌面计算机、便携式计算机等电子设备，本发明实施例中并未特别限定。

本发明实施例中的电子设备控制的执行主体可以是电子设备，或者是电子设备中能够调用程序并执行程序的功能模块。电子设备可以获取到存储介质对应的固件，存储介质对应的固件由供应商提供，不同存储介质对应的固件可以相同可以不同，在此不做限定。电子设备获取到存储介质对应的固件后，可以将该存储介质对应的固件写入存储介质中，具体地是往该存储介质中烧入该存储介质对应固件。将固件烧入存储介质的过程可以采用现有技术实现，在本发明实施例中不做赘述。

电子设备还可以获取到存储介质对应的重置命令，存储介质对应的重置命令由供应商提供，不同存储介质对应的重置命令可以相同可以不同，在此不做限定。

此时电子设备的存储介质为写入了对应的固件的存储介质，电子设备可以在写入了对应的固件的存储介质中响应该存储介质对应的重置命令，从而电子设备根据存储介质对应的重置命令，对该写入对应的固件的存储介质进行重置。根据重置命令对存储介质进行重置的过程可以现有技术实现，在本发明实施例中不做赘述。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，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，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施方式或者实施方式的某些部分所述的方法。

以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施方式方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

本申请可用于众多通用或专用的计算系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的消费电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。