阮慶洲，余晴春，胡鳴若

0 引言

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，對于小功率的電堆（比如小于1kW的電堆），可以采用風冷的方式進行冷卻，但對于大功率的電堆，風冷就顯得無能為力了，水冷成為首選了。采用水冷的方法，冷卻水的溫度及流量，都將對電堆的性能產(chǎn)生很大的影響，因此，設(shè)計一個能很好控制冷卻水溫度的控制系統(tǒng)就顯得很重要了。水循環(huán)控制系統(tǒng)是一個典型的慣性帶有滯后的控制系統(tǒng)，傳統(tǒng)的 PID控制雖然在工業(yè)生產(chǎn)中用得相當?shù)钠毡?，但對于這個具有大滯后、非線性的系統(tǒng)，常規(guī)PID控制很難保證其控制效果始終處于最佳狀態(tài)。另外，由于模糊控制不需要精確的數(shù)學模型，是一種基于規(guī)則的控制，可依據(jù)操作人員的控制經(jīng)驗以及專家知識，通過查表就可以得到控制策略，實現(xiàn)簡單。

1 控制要求

我們的水循環(huán)系統(tǒng)的硬件如圖1所示，K為一個三通水閥，1和2是兩個進水口，通過水閥不同的轉(zhuǎn)角來調(diào)節(jié) T6的溫度，水閥的轉(zhuǎn)角范圍是0到90度，0度時，進入電堆的冷卻水全部來自于管道2，冷卻水溫度低，90度時，進入電堆的冷卻水全部來自于管道1，冷卻水溫度高。

圖1 水循環(huán)控制示意圖

一般情況下，電堆冷卻水的進口溫度 65°C ≤T≤ 75°C 且

6差值T7- T6約為2～3°C

2 確定輸入量的論域及模糊參考集

設(shè)

ΔT0為期望的差值，ΔT與ΔT0的偏差為e，即

e的最大變化范圍 e∈ [emin, emax]，將 e乘上比例因子k1，使得 k1e∈(-3,+3)為一個標準范圍；將k1e適當?shù)膭澐譃槿舾傻膮^(qū)間，劃分為7個值（如圖2）。量化后的k1e記為E。

以E為論域，在該論域上定義語言值集F(E)?，F(xiàn)取如下5個語言值：“負大 NB、”負小NS”、“零O”、“正小PS”、“正大 PB”, 即

圖2 輸入量模糊參考集圖

由于論域是有限的離散值，則同樣可得到如下的偏差變量的隸屬度表1。

表1 輸入隸屬度表

3 確定控制量的論域及模糊參考集

控制量是水閥轉(zhuǎn)角的度數(shù)，水閥轉(zhuǎn)角為 0°時，進入電堆的冷卻水水溫低，既T6小，水閥轉(zhuǎn)角為 90°時，進入電堆的冷卻水水溫高，既 T6大。水閥轉(zhuǎn)角 u'∈[0°,90°]，設(shè)u =u'-45°，則 u∈[-45°,45°]，乘上比例因子k2，使k2u有一個標準變化范圍： k2u∈[-4,+4]。將k2u角度變化量化為9檔，記為U

以U為論域，控制語言值取5個，得到模糊參考集

圖3 控制量模糊參考集圖

控制量的隸屬函數(shù)見表2。

表2 控制量隸屬度表

4 確定模糊關(guān)系矩陣

依據(jù)以前的控制經(jīng)驗，可得到下表的控制規(guī)則（見表3）：

表3 控制規(guī)則（專家經(jīng)驗）

一個規(guī)則ri可以得到一個關(guān)系矩陣 1,2...5,i=Ri

總的控制關(guān)系

求關(guān)系矩陣Ri：

5 求出輸出決策矩陣B

現(xiàn)在，對輸入e，分別令k1e等于-3、-2、-1、0、1、2、3，求出輸出決策B。下面構(gòu)造一個輸入模糊集合。

求輸出決策B

為了實際的需要，我們需要做出判決，對上面的輸入，求出對應(yīng)的輸出，并把他做成一個查詢表。利用下面公式計算控制輸出值：

當 k1e=-3時， B1j=[0,0,0,0,0,0,0,0.5,1]；（B1j表示B矩陣的第一行）

同理

所以，我們得到對應(yīng)的 u'*

6 結(jié)論

通過上面的討論，對于不同的輸入，可以得到下面一個模糊查詢表（表4）

表4 模糊查詢表

我們從上面的設(shè)計可以看出，采用模糊控制，可以大大簡化很多中間環(huán)節(jié)，設(shè)計者不需要建立精確的數(shù)學模型，只需要具備一定的經(jīng)驗和熟悉控制要求，就能設(shè)計出比傳統(tǒng)PID控制更完美的控制系統(tǒng)。

[1]徐軍.動態(tài)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)—設(shè)計與應(yīng)用[M].北京:清華大學出版社,2008.

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