王伏龍，肖鐸

(浙江大學(xué)城市學(xué)院，浙江杭州325000)

目前國(guó)內(nèi)許多燃料電池的控制手段多半靠人工操作的方法進(jìn)行，沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。H2和O2的流量都是按最大量進(jìn)行，沒有根據(jù)輸出功率的要求適時(shí)適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)流量，造成了浪費(fèi)，縮短了燃料電池的工作壽命，提高了成本。質(zhì)子交換膜燃料電池是一個(gè)復(fù)雜三維的、多物理場(chǎng)、多相、多尺度、動(dòng)態(tài)的，多輸入單輸出的多變量非線性變參數(shù)純滯后的復(fù)雜系統(tǒng)[2]。因此，燃料電池的輸出功率與許多因素有關(guān)，對(duì)于這樣的系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型十分困難。為此采用模糊控制算法進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)是十分適宜的。而采用模糊控制算法對(duì)燃料電池進(jìn)行建模，為燃料電池的正常、高效運(yùn)作奠定了基礎(chǔ)。

模糊控制的特點(diǎn)就是不需要對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，它是根據(jù)專家總結(jié)的經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的一種手段。本文利用模糊控制算法適時(shí)調(diào)節(jié)燃料電池的H2和O2流量和工作溫度，從而改善燃料電池的輸出性能，提高輸出功率。

1 模糊控制算法

1.1 模糊集合與隸屬度

模糊控制器1：將電功率誤差e1和氧氣流量O2作為兩個(gè)輸入，控制氫氣流量H2的閥門的控制電壓U1作為輸出。模糊化輸入量O2的變化范圍為0～+3。模糊語(yǔ)言值為：

模糊控制器2：將電功率誤差e1和氫氣流量H2作為兩個(gè)輸入，控制氫氣流量O2的閥門的控制電壓U2作為輸出。模糊化輸入量H2的變化范圍為0～+3。模糊語(yǔ)言值為：

模糊控制器3:將溫度變化率e2和溫度變化量T作為兩個(gè)輸入，控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的控制電壓U3作為輸出。模糊語(yǔ)言值為：

隸屬度采用三角形函數(shù)。隸屬度函數(shù)依照的規(guī)則有：（1）隸屬函數(shù)要遵從語(yǔ)意順序，避免不恰當(dāng)?shù)闹丿B；（2）對(duì)同一個(gè)點(diǎn)沒有兩個(gè)隸屬函數(shù)會(huì)同時(shí)有最大隸屬度；（3）當(dāng)兩個(gè)隸屬函數(shù)重疊時(shí)，重疊部分的任何點(diǎn)的隸屬函數(shù)的和應(yīng)該小于等于1。圖1,2,3,4,5,6為各變量的隸屬函數(shù)。O2和H2的隸屬度函數(shù)相同，U1和U2的隸屬度函數(shù)相同。

1.2 模糊規(guī)則

表1，表2，表3分別是模糊控制器1，2，3的主要的模糊控制規(guī)則表。圖7為溫度控制的模糊規(guī)則演示，圖8為溫度控制的輸入輸出變量特性。

選擇控制量變化的原則是，當(dāng)誤差大或較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤差為主。誤差小時(shí)，選擇控制量要防止超調(diào)。模糊推理的形式為：“if……and……then……”條件語(yǔ)句。

1.3 模糊判決

采用重心法進(jìn)行模糊規(guī)則判決，所謂重心法就是取模糊隸屬函數(shù)曲線與橫坐標(biāo)軸圍成面積的重心作為代表點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中一般計(jì)算輸出范圍內(nèi)整個(gè)采樣點(diǎn)（即若干離散值）的重心。這樣在不花太多時(shí)間的情況下，用足夠小的采樣間隔來提供所需要的精度[3]。公式為：

2 燃料電池系統(tǒng)仿真

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中檢驗(yàn)其能否達(dá)到預(yù)期目的是很重要的，但由于檢驗(yàn)實(shí)際系統(tǒng)需要花費(fèi)大量的資金和時(shí)間，所以往往利用計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)替代實(shí)際系統(tǒng)，模擬實(shí)際運(yùn)行情況，從而檢驗(yàn)其有效性。Matlab中的Simulink環(huán)境可以直觀明了地觀察所設(shè)計(jì)模糊系統(tǒng)是否符合需要，也可以幫助分析和解決問題，指導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、修改以及完善系統(tǒng)。

利用仿真模型窗口建立仿真模型[3]，模型如圖9。

圖9 仿真模型

質(zhì)子交換膜燃料電池的最佳工作溫度在75～85℃，由于熱反應(yīng)，電池內(nèi)部溫度將持續(xù)上升，導(dǎo)致燃料電池不能正常工作，所以我們用以上的模型模擬一個(gè)燃料電池的內(nèi)部溫度，Signal Builer器件為波形輸入，我們將一個(gè)快速上升的波形并且使它穩(wěn)定在100℃，輸入控制器中。Gain K1為溫度變化量的模糊化值等于量化論域除以實(shí)際論域，經(jīng)過計(jì)算該值為0.015。溫度變化率為溫度變化量經(jīng)過Derivative器件取導(dǎo)數(shù)得到，Gain1 K2為溫度變化率的模糊化值等于量化論域除以實(shí)際論域，經(jīng)過計(jì)算該值為0.09。2個(gè)輸入量進(jìn)出設(shè)計(jì)完成的模糊控制器輸出一個(gè)模糊量經(jīng)過解模糊，Gain2 K3風(fēng)扇控制電壓變化量的解模糊化值等于實(shí)際論域除以量化論域，經(jīng)過計(jì)算得到該值為450。經(jīng)過延時(shí)器反饋到最初輸入波形。將原輸入信號(hào)和處理輸出信號(hào)通過Scope器件顯示出來。

3 結(jié)論

仿真結(jié)果如圖10所示。上面的線為設(shè)定溫度曲線，實(shí)現(xiàn)為仿真溫度曲線。如圖所示，控制溫度從0℃以一定速度上升到100℃，在80℃仿真曲線緊隨設(shè)定曲線變化，當(dāng)設(shè)定溫度超過了質(zhì)子交換膜燃料電池的最佳溫度時(shí)，無(wú)論設(shè)定溫度多高，仿真的溫度依然保持在80℃左右。從圖可知模糊控制器能很快響應(yīng)設(shè)定溫度的變化，控制溫度在最佳工作溫度范圍內(nèi)波動(dòng)，并趨于穩(wěn)定。

圖10 仿真曲線

[1] 周未，王金全，仲未秧.PEM燃料電池的應(yīng)用前景[J].電池工業(yè)，2004，9(4)：208-212.

[2] 涂曙光，張禾，杜傳進(jìn)，等.PEM燃料電池動(dòng)態(tài)特征的仿真分析[J].電源技術(shù)，2009（11）：997-1000.

[3] 張德豐.MATLAB模糊系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009.