1.本发明涉及燃料电池领域，尤其涉及一种基于燃料电池空气路压强和流量的解耦控制方法。
背景技术：
2.空气路系统的流量-压强联合控制策略要求控制空气压强和质量流量均跟随轨迹，以确保正常运行。在流量-压强联合控制过程中，空压机是燃料电池系统中关键部位，空压机用于向燃料电池阴极提供压缩空气。当前燃料电池系统广泛采用的压缩机为离心式压缩机，在车载应用时由于负载变化，必须相应地调节供应气体的质量流量，但是此时由于空压机的流量-压强耦合性导致压强控制困难，在严重的情况下，压强波动可能会破坏质子交换膜，缩短燃料电池堆的使用寿命，同时导致电压输出品质变差。压强和流量的联合控制对燃料电池系统运行至关重要，为解决空压机引起的流量-压强耦合问题，在燃料电池空气系统结构上在背压管路增加可变排量的背压系统，通过协调空压机转速与背压阀开度可以实现压强控制过程中的流量压强解耦控制。
3.现有空气路解耦技术控制采用简单的反馈控制器在流量环控制的基础上加上了压强环，但是流量和压强收敛速度较慢；此外，采用前馈解耦算法对流量-压力可进行解耦控制，但对于非线性系统不适用；部分专利或文献采用pi控制和滑模控制分别进行流量和压强控制，但对控制效果改善很小。
4.传统的pi控制的研究基本都是对于稳态效果的研究和分析，但未对动态响应效果进行具体分析，解耦具体效果也未体现出来，而且pi控制器主要对低频有较大的放大作用，高频信号增益会降低。同时关于系统对传感器采集信号的处理并未体现出来。
技术实现要素：
5.本发明目的在于提供了一种实用性更强，工程化可以实现，对比于智能算法和模糊算法等工程化实现难的问题，有相应的优势的基于燃料电池空气路压强和流量的解耦控制方法。
6.为了实现上述目的，本发明提供了一种基于燃料电池空气路压强和流量的解耦控制方法，包括以下步骤：
7.步骤一、搭建被控对象模型；
8.步骤二、给定压强和反馈压强的差值，经过改进的pr算法，输出为背压阀开度；给定流量和反馈流量的差值，经过改进的pr算法，输出为空压机转速，改进的pr算法的模型为：
[0009][0010]kp
表示控制器的比例增益，ωc表示截止频率，ω0表示谐振角频率，kr表示控制器的积分增益。
[0011]
对本发明提供的一种基于燃料电池空气路压强和流量的解耦控制方法，所述步骤一中的被控对象模型包括空气路管路压力模型、背压阀模型、流量模型、空压机模型中的一种或者多种。
[0012]
对本发明提供的一种基于燃料电池空气路压强和流量的解耦控制方法，还包括步骤三，所述步骤三包括：对于所述步骤二中的反馈流量和反馈压强进行滤波处理。
[0013]
对本发明提供的一种基于燃料电池空气路压强和流量的解耦控制方法，所述步骤三中的滤波处理是为了避免传感器采样过程中的误差和抖动现象。
[0014]
对本发明提供的一种基于燃料电池空气路压强和流量的解耦控制方法，所述k
p
是为了增大开环增益，增加控制精度。
[0015]
对本发明提供的一种基于燃料电池空气路压强和流量的解耦控制方法，所述kr是为了降低系统的稳态误差。
[0016]
综上所述，本发明具有如下优点：
[0017]
本发明使用改进的pr控制器进行流量和压强的解耦，经过pr控制器输出分别为空压机转速和背压阀开度，实现完全解耦。
[0018]
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例详细说明如后。
附图说明
[0019]
图1是本发明的一种燃料电池空气路解耦控制方法的空气路流量压强解耦框图；
[0020]
图2是开环流量压强图；
[0021]
图3是闭环流量压强图。
具体实施方式
[0022]
下面结合实施例和附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0023]
实施例
[0024]
本发明的一种燃料电池空气路解耦控制方法，包括以下步骤：
[0025]
步骤一、搭建被控对象模型，主要包括空气路管路压力模型，背压阀模型，流量模型，空压机模型等；
[0026]
步骤二、根据步骤一获得被控对象模型，给定压强和反馈压强的差值，经过改进的pr算法，输出为背压阀开度；给定流量和反馈流量的差值，经过改进的pr算法，输出为空压机转速，控制框图如图1所示。
[0027]
改进的pr算法的模型为：
[0028][0029]kp
表示控制器的比例增益，ωc表示截止频率，ω0表示谐振角频率，kr表示控制器的积分增益。
[0030]
通过bode图分析，pi控制器对高频信号的增益会较低，对低频信号有较大的放大作用，假如对一个高频信号进行控制，系统的跟踪效果会明显变差，而且低频噪声也会很
大。
[0031]
理想的pr控制器只对单一频率起作用，所以工程实用价值不强。
[0032]
改进的pr控制器既可以对高频信号控制良好也可以对低频信号控制良好，其中k
p
是为了增大开环增益，增加控制精度，kr是为了降低系统的稳态误差。
[0033]
该控制算法首先相对于理想pr算法的单一频率点起作用，该算法的实用性更强，而且规避了理想pi算法高频增益衰减的问题，最重要的该算法工程化可以实现，对比于智能算法和模糊算法等工程化实现难的问题，这个也有相应的优势。
[0034]
步骤三、对于步骤二反馈流量和反馈压强进行滤波处理，为了避免传感器采样过程中的误差和抖动现象。
[0035]
为验证本发明的优越性，图2和图3给出了进行解耦控制前后的流量，压强波形。为叙述方便，在本实施例中利用开环指代未进行流量压强解耦的方案，闭环指代采用本发明的流量压强解耦算法。
[0036]
开环测试的目的在于验证系统的压强流量的耦合性的确存在，闭环测试的目的为了验证经过流量压强的解耦控制，可以得到压强流量完全解耦。
[0037]
测试条件选择流量递增压强不变-流量不变压强递增-流量递减压强递减，这样做的目的是为了改变流量压强保持不变，可以观测在流量发生变化时，压强是否随着波动或进入不稳定状态；改变压强流量保持不变，这样可以观测压强变化时，流量是否随着波动或进入不稳定状态。
[0038]
开环流量压强图和闭环流量压强图分别如图2和图3所示。通过图2开环流量压强图可以得出，流量在发生变化时，压强也跟随着波动；压强发生变化时，流量也跟随者波动；流量和压强相互作用，证明其耦合性存在。通过图3闭环流量压强图可以得出，流量发生变化时，压强无波动；压强发生变化时，流量也无波动；流量和压强的相互作用经过解耦已经不存在，实现完全解耦。
[0039]
现有空气路解耦技术控制采用简单的反馈控制器在流量环控制的基础上加上了压强环，但是流量和压强收敛速度较慢；此外，采用前馈解耦算法对流量-压力可进行解耦控制，但对于非线性系统不适用；部分专利或文献采用pi控制和滑模控制分别进行流量和压强控制，但对控制效果改善很小。另外，传统的pi控制的研究基本都是对于稳态效果的研究和分析，但未对动态响应效果进行具体分析，解耦具体效果也未体现出来，而且pi控制器主要对低频有较大的放大作用，高频信号增益会降低。同时关于系统对传感器采集信号的处理并未体现出来。
[0040]
本发明对空气路解耦的控制方法的一种优化和改进，运用的改进的pr算法进行解耦控制，对反馈回路采用滤波算法，避免传感器采样的抖动和毛刺，改进pr算法解决pi算法高频信号增益衰弱的特点，并对系统的动态性能进行验证，确定流量压强完全解耦。
[0041]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
[0042]
除非另外定义，否则本文中所用的术语具有与本发明所属领域的技术人员的通常所理解相同的含义。应进一步理解，术语应被解释为具有与其在相关技术以及本发明的上下文中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过度形式化意义进行解释，除非本文中明
确地这样定义。技术特征：
1.一种基于燃料电池空气路压强和流量的解耦控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、搭建被控对象模型；步骤二、给定压强和反馈压强的差值，经过改进的pr算法，输出为背压阀开度；给定流量和反馈流量的差值，经过改进的pr算法，输出为空压机转速，改进的pr算法的模型为：k
p
表示控制器的比例增益，ω
c
表示截止频率，ω0表示谐振角频率，k
r
表示控制器的积分增益。2.根据权利要求1所述的基于燃料电池空气路压强和流量的解耦控制方法，其特征在于：所述步骤一中的被控对象模型包括空气路管路压力模型、背压阀模型、流量模型、空压机模型中的一种或者多种。3.根据权利要求1所述的基于燃料电池空气路压强和流量的解耦控制方法，其特征在于：还包括步骤三，所述步骤三包括：对于所述步骤二中的反馈流量和反馈压强进行滤波处理。4.根据权利要求3所述的基于燃料电池空气路压强和流量的解耦控制方法，其特征在于：所述步骤三中的滤波处理是为了避免传感器采样过程中的误差和抖动现象。5.根据权利要求1所述的基于燃料电池空气路压强和流量的解耦控制方法，其特征在于：所述k
p
是为了增大开环增益，增加控制精度。6.根据权利要求1所述的基于燃料电池空气路压强和流量的解耦控制方法，其特征在于：所述k
r
是为了降低系统的稳态误差。
技术总结
本发明涉及基于燃料电池空气路压强和流量的解耦控制方法；首先搭建被控对象模型，然后将给定压强和反馈压强的差值，经过改进的PR算法，输出为背压阀开度；将给定流量和反馈流量的差值，经过改进的PR算法，输出为空压机转速；本发明的实用性强，而且规避了PI算法高频增益衰减的问题，工程化也可以实现，对比于智能算法和模糊算法等工程化实现难的问题，有相应的优势。应的优势。应的优势。
技术研发人员：杨梦军 周洪雷 董震 董清华 李刚
受保护的技术使用者：苏州溯驭技术有限公司
技术研发日：2022.03.21
技术公布日：2022/6/3
声明：
“基于燃料电池空气路压强和流量的解耦控制方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：苏州溯驭技术有限公司
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2024年06月14日 ~ 16日 
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