空压机的防喘振控制方法及系统与流程

本申请属于燃料电池技术领域，具体地，涉及一种空压机的防喘振控制方法及系统。

背景技术：

燃料电池技术是一种高效清洁的能量转换技术系统能耗是由供气系统产生的，燃料电池在工作时，需要供气系统将空气压缩后送入到电池阴极参与反应。高速离心式空压机由于结构紧凑、高效率、高压比的特点，已成为燃料电池空气管理系统的关键部件，空压机工作点越靠近喘振线，空压机的效率越高，但越容易发生喘振现象，导致电堆阴极参与反应的氧气量剧烈波动，影响燃料电池性能，降低堆体寿命，并带来较严重的气动噪声。

空压机喘振是由于离心式空压机工况发生突变，出口流量迅速减小而出口压力变化滞后于流量变化，在空压机与空气管道之间发生周期性的气流振荡，使空压机工作在不稳定的流动状态。

空压机出厂时，会附上标准状态下空压机的压比、流量和转速的特性曲线，当空压机工作在该特性曲线的喘振线附近时为近喘振工况区。

现有的氢燃料电池空压机防喘振方法有主动控制和被动控制两种。主动控制是通过对空压机性能的改进来扩大空压机的安全工作范围，但由于氢燃料电池时常工作在高压比、低流量工况，使得空压机适配性较差，实际运行过程中常有气流不稳定状况发生。而目前国内外关于氢燃料电池离心式空压机的气动特性研究尚不充分，特别没有全面系统的分析离心式空压机在不同车用工况环境下的性能匹配，使得现有离心式空压机在结构尺寸改进、压比效率提高方面都存在瓶颈，实际运行过程中常有气流不稳定状况发生，仅靠改进空压机性能无法满足氢燃料电池堆阴极的稳定供氧。

被动控制通常是通过对空压机入口流量或出口压力进行调节，使空压机工作在喘振区域以外，实际应用中，常通过防喘阀实现流量调节。中国专利cn103727074“燃料电池机车低功率运行空压机防喘振方法”中使用了旁路系统，通过pid控制单元控制旁路阀实现流量调节。但燃料电池空压机系统具有流量、压力复杂耦合的特点，现有pid控制方案不能实现流量、压力的稳定控制，极大限制了空压机的防喘振效果。同时，目前常用的防喘振阀以及cn103727074方案中的旁路阀，都只是对空压机流量进行控制，但氢燃料电池空压机系统具有流量、压力、电机转速复杂耦合的特点，进入电堆的气体流量、压力均会影响燃料电池的运行性能，仅对空压机流量控制无法保证燃料电池稳定运行在高效率工况点，同时车用燃料电池运行工况复杂，负载需求变化快，传统pid控制算法往往不能精确快速满足电堆需求的空气流量，也会极大降低空压机的防喘振效果。

技术实现要素：

本发明提出了一种空压机的防喘振控制方法及系统，旨在解决现有技术中氢燃料电池空压机防喘振方法中仅对空压机流量控制无法保证燃料电池稳定运行的问题。

根据本申请实施例的第一个方面，提供了一种空压机的防喘振控制方法，包括以下步骤：

根据燃料电池堆的需求功率指令以及理想发电性能计算得到燃料电池堆的期望流量值q^ref和期望压力值p^ref；

对期望流量值q^ref和期望压力值p^ref进行非喘振限幅得到限幅流量值q^*和限幅压力值p^*；

输入所述限幅流量值q^*至第一pi控制器得到空压机的控制角速度ω^*，输入所述限幅压力值p^*至第二pi控制器得到管道蝶阀的控制角度θ^*；

空压机控制器根据所述控制角速度ω^*控制空压机转速，从而控制空压机气体流量；管道蝶阀控制器根据所述控制角度θ^*控制蝶阀角度，从而控制空压机气体压力。

根据本申请实施例的第二个方面，提供了一种空压机的防喘振控制系统，具体包括：

期望流量和期望压力计算模块：用于根据燃料电池堆的需求功率指令以及理想发电性能计算得到燃料电池堆的期望流量值q^ref和期望压力值p^ref；

限幅器模块：用于对期望流量值q^ref和期望压力值p^ref进行非喘振限幅得到限幅流量值q^*和限幅压力值p^*；

pi控制器模块：用于输入所述限幅流量值q^*至第一pi控制器得到空压机的控制角速度ω^*，输入所述限幅压力值p^*至第二pi控制器得到管道蝶阀的控制角度θ^*；

空压机与蝶阀控制模块：用于空压机控制器根据所述控制角速度ω^*控制空压机转速，从而控制空压机气体流量；管道蝶阀控制器根据所述控制角度θ^*控制蝶阀角度，从而控制空压机气体压力。

采用本申请实施例中的空压机的防喘振控制方法及系统，通过根据燃料电池堆的需求功率指令以及理想发电性能计算得到燃料电池堆的期望流量值q^ref和期望压力值p^ref；对所述期望流量值q^ref和期望压力值p^ref进行非喘振限幅得到限幅流量值q^*和限幅压力值p^*；输入限幅流量值q^*至第一pi控制器得到空压机的角速度ω^*，输入限幅压力值p^*至第二pi控制器得到管道蝶阀的角度θ^*；空压机控制器根据角速度数值ω^*控制空压机转速，从而控制空压机气体流量；管道蝶阀控制器根据角度θ^*控制蝶阀角度，从而控制空压机气体压力。通过采用两个具有pi控制器，分别控制排气阀和空压机电机，实现了空压机出口流量、压力的双环控制，并提高了防喘振效果，解决了现有技术中氢燃料电池空压机防喘振方法中仅对空压机流量控制无法保证燃料电池稳定运行的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1中示出了现有技术中氢燃料电池的气路结构图；

图2中示出了根据本申请实施例的一种空压机的防喘振控制方法的步骤流程图；

图3示出了根据本申请实施例的一种空压机的防喘振控制系统的总体结构设计图；

图4中示出了根据本申请实施例的空压机工作特性曲线图；

图5中示出了根据本申请实施例的pi控制器结构图；

图6示出了根据本申请实施例的一种空压机的防喘振控制系统的结构示意图。

具体实施方式

在实现本申请的过程中，发明人发现现有的氢燃料电池空压机防喘振方法有主动控制和被动控制两种，被动控制方面，通常是通过对空压机入口流量或出口压力进行调节，使空压机工作在喘振区域以外，目前常用的防喘振方案都只是对空压机流量进行控制，但氢燃料电池空压机系统具有流量、压力、电机转速复杂耦合的特点，进入电堆的气体流量、压力均会影响燃料电池的运行性能，仅对空压机流量控制无法保证燃料电池稳定运行在高效率工况点。因此，需要一种空压机的防喘振控制方法及系统，在防喘振控制同时保证系统高效率稳定运行。

针对上述问题，本申请实施例中提供了一种空压机的防喘振控制方法及系统，通过采用两个具有pi控制器，分别控制排气阀和空压机电机，实现了空压机出口流量、压力的双环控制，并提高了防喘振效果，使控制系统处于高效率的稳定状态。

本申请实施例中提供的空压机的防喘振控制方法及系统主要用于氢燃料电池离心式空压，通过两个具有抗积分饱和功能的pi控制器，分别控制排气阀和空压机电机，实现了空压机出口流量、压力的双环控制，并采用相对增益阵列(rga)方法，得到空压机控制的耦合度，进而精确控制空压机的运行工作点，同时设计了期望值限幅器，能够阻止空压机工作点达到喘振点，有效防止燃料电池运行过程中喘振现象的发生。

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1中示出了现有技术中氢燃料电池的气路结构图。

如图1所示，为保证氢燃料电池堆能够运行在高效率工况下，需要空气压缩机为氢燃料电池堆提供压力、流量均适宜的空气参与反应。主控制器通过接收质量流量计反馈的实际气体质量流量值，发出控制信号调节驱动电机的输入端电压来改变空压机的转速，进而实现对空压机气体流量的控制；同时主控制器通过接收温度、压力以及湿度传感器反馈的管路实际检测数值，发出控制信号调节电子蝶阀开度来改变电子排气门流通增湿器后气体的面积，进而实现对空气入堆压力的控制。

图2中示出了根据本申请实施例的一种空压机的防喘振控制方法的步骤流程图。图3示出了根据本申请实施例的一种空压机的防喘振控制系统的总体结构设计图。

如图2所示，本实施例的空压机的防喘振控制方法，具体包括以下步骤：

s101：根据燃料电池堆的需求功率指令以及理想发电性能计算得到燃料电池堆的期望流量值q^ref和期望压力值p^ref；

s102：对所述期望流量值q^ref和期望压力值p^ref进行非喘振限幅得到限幅流量值q^*和限幅压力值p^*；

s103：输入所述限幅流量值q^*至第一pi控制器得到空压机的控制角速度ω，输入所述限幅压力值p^*至第二pi控制器得到管道蝶阀的控制角度θ^*；

s104：空压机控制器根据所述控制角速度ω^*控制空压机转速，从而控制空压机气体流量；管道蝶阀控制器根据所述控制角度θ^*控制蝶阀角度，从而控制空压机气体压力。

具体的，根据燃料电池堆的需求功率指令，匹配燃料电池堆理想发电性能，可以转换得到燃料电池堆期望的质量流量q^ref和压力p^ref。

具体的，s102中，对期望流量值q^ref和期望压力值p^ref进行非喘振限幅得到限幅流量值q^*和限幅压力值p^*，具体包括：

图4中示出了根据本申请实施例的空压机工作特性曲线图。

如图4所示，首先，根据空压机工作特性曲线得到空压机喘振线函数以及喘振线反函数。

喘振线函数公式如下：

p＝φ(q)；

喘振线反函数公式如下：

q^*＝φ^-1(p^*)

其次，取所述喘振线函数与期望流量q^ref相比的最小值为限幅流量值q*，取所述喘振线反函数与期望压力p^ref相比的最大值为限幅压力值p*。

具体的，期望值限幅器如下：

p^*＝min{φ(q),p^ref}

q^*＝max{φ^-1(p^*),q^ref}。

本实施例通过设置限幅器控制空压机的工作点与喘振发生的喘振线之间始终保持一定的安全裕度，以阻止空压机工作点达到喘振点。

图5中示出了根据本申请实施例的pi控制器结构图。

如图5所示，第一pi控制器与第二pi控制器相同，所述第一pi控制器与第二pi控制器的具体设计如下：

限幅流量值q*和限幅压力值p*作为pi控制器的输入，输入量表示为r，经pi控制器计算后的流量值和压力值表示为y，所以经pi控制器调整后的误差值为e＝y-r；

对误差值进行一阶求导，可得到pi控制器中的积分项

pi控制器的控制量u＝kpe+kiei。

其中，为避免在系统偏差方向未发生改变时，pi控制器的输出不断增大超出正常范围，进而当系统出现反向偏差时无法进行快速响应，本pi控制器采取抗积分饱和手段对控制器输出最大值和最小值附近的积分累积进行限制。

首先，设定控制量上限阈值umax和下限阈值umin，判断控制量u是否超出限制阈值umax范围，当u>umax时，只对误差e为负数的情况进行累加计算，当u<umin时，只对误差e为正数的情况进行累加计算。

如图5所示，经过限幅器限制流量值以及压力值后得到得到限幅流量值q^*和限幅压力值，作为pi控制器的输入。pi控制器的比例增益系数kp和积分增益系数ki可以根据需求情况进行标定，当需要质量流量能够快速响应进而避免燃料电池出现氧饥饿时，可以提高比例增益系数kp，当需要抑制压力超调进而避免压力过大导致系统进入喘振区时，可以提高积分增益系数ki并降低比例增益系数kp。

因本实施例中存在空压机的角速度控制流量控制回路，以及蝶阀的角度控制压力控制回路，而双环控制中流量、压力复杂耦合对系统稳定性的造成了影响。具体的如下：

空压机角速度ω和转速n之间的关系，具体公式为：

进而将实测系统空压机角速度ω、压力p带入如图4所示的标准状况下空压机工作曲线图，可以得到标准状态下的空压机气体流量qatm，空压机实际流量q与qatm的关系用修正函数h表示，则：

q＝qatm＝h(ω,p)

空压机角速度根据质量守恒原理，管汇内积累的空气质量m和气体压力p的动力学方程表示为：

其中，ra为气体常数，mair为气体摩尔质量，γ为气体比热容，qout为管汇出口流量。

管汇出口质量流量q受节气门蝶阀开度角θ和管汇压力p的影响，关系用函数表示为：

由上可知，管汇出口质量流量受到进出口两端压强的影响，二者分别会受到空压机角速度、节气门蝶阀开度的影响，存在强耦合关系，双回路控制模型耦合关系公式如下：

其中，为耦合系数矩阵，q为气体流量，p为气体压强，ω为空压机角速度，θ为蝶阀角度。

该双环控制回路是由两个输入ω、两个输出q、p组成。

因此本实施例还包括解决双环控制耦合性问题的方案，具体步骤如下：

s201：获取空压机的角速度控制流量与蝶阀的角度控制压力的双回路控制模型，双回路控制模型耦合关系公式如上；

s202：采用相对增益阵列方法得到所述双回路控制模型相互作用下的耦合关系；

s203：利用simulink固有的线性时不变系统工具箱lti，根据所述双回路控制模型相互作用下的耦合关系对双回路控制模型间的耦合关系进行传递函数的线性化求解，解除所述双回路控制模型在强耦合关系区内的耦合性。进而克服在强耦合关系区内双回路控制模型无法被同时控制。

具体的，s202中，双回路控制模型相互作用下的耦合关系采用相对增益矩阵的形式，所述相对增益矩阵具体为：

其中，λij(i＝1,2；j＝1,2)为相对增益，为相对增益矩阵；

其中，

首先，对双回路控制模型耦合关系公式进行反向求解，可将控制输出ω和θ表示为：

继而得到：

根据相对增益的定义得到：

最后对耦合系数进行矩阵求解。

s203中，通过解耦控制解除所述双回路控制模型的耦合性具体采用基于simulink的工具箱lti解除所述双回路控制模型的耦合性。

通过工具箱lti可以求解得到不同流量、压力输出下的耦合度rga。为防止强耦合度下无法对系统精确控制，需要根据耦合度rga计算结果避免流量、压力进入强耦合区。

本申请实施例通过两个pi控制器分别对空压机的转动角速度和排气蝶阀的阀门开合角度进行控制，进而实现对空压机出口流量和压力的双回路控制。为保证控制的精确性，避免在强耦合区无法对流量和压力同时进行有效控制，需要对双控制回路的耦合关系进行分析并解耦。

实施例2

图5示出了根据本申请实施例的一种空压机的防喘振控制系统的结构示意图。

如图5所示，空压机的防喘振控制系统具体包括：

期望流量和期望压力计算模块10：用于根据燃料电池堆的需求功率指令以及理想发电性能计算得到燃料电池堆的期望流量值q^ref和期望压力值p^ref；

限幅器模块20：用于对所述期望流量值q^ref和期望压力值p^ref进行非喘振限幅得到限幅流量值q^*和限幅压力值p^*；

pi控制器模块30：用于输入所述限幅流量值q^*至第一pi控制器得到空压机的角速度ω*，输入所述限幅压力值p^*至第二pi控制器得到管道蝶阀的角度θ*；

空压机与蝶阀控制模块40：用于空压机控制器根据所述角速度数值ω*控制空压机转速，从而控制空压机气体流量；管道蝶阀控制器根据所述角度θ*控制蝶阀角度，从而控制空压机气体压力。

进一步的，限幅器模块20具体包括以下单元结构：

喘振线函数单元：用于根据空压机工作特性曲线得到空压机喘振线函数以及喘振线反函数，喘振线函数公式如下：

p＝φ(q)；

限幅比较单元：用于取所述喘振线函数与期望流量q^ref相比的最小值为限幅流量值q*，取所述喘振线反函数与期望压力p^ref相比的最大值为限幅压力值p*。

进一步的，防喘振控制系统还包括一下结构：

耦合度模块：用于采用相对增益阵列方法得到空压机的角速度控制回路与蝶阀的角度控制回路的耦合度；

阈值计算模块：用于计算耦合度阈值范围内空压机的角速度范围与蝶阀的角度范围；所述空压机的角速度范围作为所述空压机控制器的角速度控制阈值；所述蝶阀的角度范围作为所述管道蝶阀控制器的角度控制阈值。

本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行以实现如上任一内容所提供的防喘振控制方法。

采用本申请实施例中的空压机的防喘振控制方法及系统，通过根据燃料电池堆的需求功率指令以及理想发电性能计算得到燃料电池堆的期望流量值q^ref和期望压力值p^ref；对所述期望流量值q^ref和期望压力值p^ref进行非喘振限幅得到限幅流量值q^*和限幅压力值p^*；输入限幅流量值q^*至第一pi控制器得到空压机的角速度ω^*，输入限幅压力值p^*至第二pi控制器得到管道蝶阀的角度θ^*；空压机控制器根据角速度数值ω^*控制空压机转速，从而控制空压机气体流量；管道蝶阀控制器根据角度θ^*控制蝶阀角度，从而控制空压机气体压力。通过采用两个具有pi控制器，分别控制排气阀和空压机电机，实现了空压机出口流量、压力的双环控制，通过限幅器控制空压机的工作点与喘振发生的喘振线之间始终保持一定的安全裕度，以阻止空压机工作点达到喘振点，提高了防喘振效果，解决了现有技术中氢燃料电池空压机防喘振方法中仅对空压机流量控制无法保证燃料电池稳定运行的问题。

具体的，本申请实施例中的空压机的防喘振控制方法及系统，不仅有效防止燃料电池运行过程中喘振现象的发生。还通过抗积分饱和设计避免了控制对象进入饱和区，提高了控制效果的稳定性；通过采用相对增益阵列(rga)方法，得到空压机控制的耦合度，克服了耦合关系对控制效果的影响，保证空压机工作点控制的精确性。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。