彭再武，胡振球，毛懿坪，劉文哲，石高峰

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燃料電池氫系統(tǒng)的控制要求高，國(guó)內(nèi)外已提出了多種控制方法[1-5]。其中傳統(tǒng)的PID(比例-積分-微分)控制存在參數(shù)整定困難的問(wèn)題，而將優(yōu)化方法引入PID控制可有效降低參數(shù)整定難度，提升控制性能[6-10]。

另外，氫系統(tǒng)氣路的壓力響應(yīng)與燃料電池在工作中所承受的機(jī)械應(yīng)力正相關(guān)，因此，優(yōu)化燃料電池氫氣路的PID控制參數(shù)，還可以提高氫氣壓力的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，從而降低燃料電池運(yùn)行過(guò)程中的機(jī)械應(yīng)力，提升燃料電池壽命。

1 傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)分析

燃料電池氫氣路傳統(tǒng)的PID控制原理如圖1所示[1]。

圖1 燃料電池氫氣路傳統(tǒng)的PID控制原理

圖中，s為拉普拉斯算子；Kv1為氫氣調(diào)節(jié)閥門(mén)增益；Tv1為氫氣調(diào)節(jié)閥門(mén)時(shí)間常數(shù)；Uc為氫氣調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度控制信號(hào)；Y為氫氣系統(tǒng)的實(shí)際壓力；Yr為氫氣系統(tǒng)的給定壓力；i為電堆電流。

Ka=(RTst)/Van，Kb=(mH2n)/(2F)

(1)

(2)

式中：R為氫氣氣體常數(shù)，取值4 124 J/(kg·K)；Tst為電堆溫度，取值353.16 K；Van為陽(yáng)極與擴(kuò)散層體積，取值0.001 m；mH2為氫氣摩爾質(zhì)量；n為電堆單電池?cái)?shù)目；F為法拉第常數(shù)，取值96 485.34 C/mol；Kv2為排氫閥增益，取值0.5×10-4；Tv2為排氫閥時(shí)間常數(shù)，取值0.2 s；Ka為壓力溫度比系數(shù)，取值14 564；Kb為電流擾動(dòng)系數(shù)，取值6.27×10-7；Mout為排氫閥排出氫氣量。

圖1所示的系統(tǒng)模型中，Uc為控制變量，i和Mout為擾動(dòng)變量；PID控制器通過(guò)Y與Yr的偏差計(jì)算出相應(yīng)的Uc來(lái)控制實(shí)際氫氣的精確供應(yīng)，達(dá)到誤差收斂的目的。

2 基于粒子群優(yōu)化的PID控制方法

粒子群優(yōu)化算法是一種智能優(yōu)化算法，通過(guò)設(shè)置合理的適應(yīng)值函數(shù)(優(yōu)化目標(biāo))，來(lái)使控制參數(shù)變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目標(biāo)。

適應(yīng)值函數(shù)計(jì)算公式見(jiàn)式(3)，其中t1為設(shè)定的可接受的收斂時(shí)間。

(3)

本文引入粒子群優(yōu)化的PID控制方法流程如圖2所示。

圖2 粒子群優(yōu)化PID控制方法流程圖

采用圖2所示方法，可以找到適應(yīng)值函數(shù)最優(yōu)的PID參數(shù)，降低PID參數(shù)的整定難度，并獲得更好的控制效果。

3 仿真分析

為對(duì)比分析基于粒子群優(yōu)化的PID參數(shù)與基于試湊法的傳統(tǒng)PID參數(shù)壓力控制效果。在MATLAB的SIMULINK中分別搭建兩者的仿真模型，如圖3所示。兩種模型中都設(shè)置給定壓力為0.1 MPa，排氫時(shí)間為0.1 s，頻率為0.2 s，最大輸出電流為500 A。

圖3所示模型的仿真結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)粒子群優(yōu)化后的PID參數(shù)比試湊法PID參數(shù)，在目標(biāo)壓力跟蹤性能上具有更低的超調(diào)和更短的調(diào)節(jié)時(shí)間；在抗擾性能上(圖4中的下沖部分)，具有更小的下沖，說(shuō)明優(yōu)化后的PID參數(shù)對(duì)排氫閥動(dòng)作過(guò)程中壓力波動(dòng)的抑制效果更明顯。

圖3 粒子群優(yōu)化PID與試湊法PID模型

圖4 優(yōu)化前與優(yōu)化后效果對(duì)比圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)引入粒子群算法對(duì)燃料電池氫氣路PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化后的PID參數(shù)。仿真結(jié)果表明，粒子群算法優(yōu)化后的PID參數(shù)比傳統(tǒng)的試湊法PID控制方法有更好的壓力跟隨性能和抗擾性能。