基于PLC的空压机出口流量控制技术    肇庆出租升降车,  肇庆升降车出租,   肇庆升降车        1最优空气流量计算,  质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种将氢气和氧气反应产生的化学能转换为电能的装置。在燃料电池工作过程中，离心式空压机响应外部负载需求的变化向电堆反应提供适宜流量的空气。定义燃料电池过氧比为离心式空压机系统实际提供给燃料电池的空气流量与电化学反应理论所需空气流量的比值，对于燃料电池反应，存在某一特定的过氧比使反应效率最高。当大功率PEMFC系统负载运行工况突变时，由于空气系统的时滞性，导致空压机出口流量往往不能随之快速响应变化。当参与反应的氧气量不足时，电堆内部反应效率会随之降低，输出电压不能满足负载需求，严重情况下还会出现质子交换膜温度过热，进而对电堆造成不可逆的破坏。当空气流量远高于需求量时，此时电堆总的发电量并不会随空气流量增加而显著提高，但空压机功耗反而会随空气流量的增大而变大，电堆净输出功率因而减小，此时空压机功耗的大小将会达到电堆输出功率的30%，这对于本身就功率有限的车载PEMFC系统而言，是一个非常严重的负担。此外，过大的空气流量还会带走电堆内部水汽，降低质子交换膜的湿度，进而影响反应效率。因此，研究离心式空压机系统的控制方法，提升空压机的响应速度，使离心式空压机能够精确快速地提供燃料电池所需空气流量，对于燃料电池系统而言，甚为关键。对于燃料电池系统而言，单位时间内电化学反应所需空气质量流量mo2可以表示为燃料电池电流Ist的函数2OM4F=2stOnIm，MO2为氧气的摩尔质量，n为燃料电池单体个数，F为法拉常数。定义过氧比λ为离心式空压机系统提供给燃料电池的实际空气质量流量mo2,in与燃料电池电化学反应所需空气质量流量的比值=2O,inOmm,  研究表明，燃料电池的过氧比维持在23之间时输出功率最大。考虑到氧气占空气的摩尔分数XO2(0.21),空气的相对湿度atm，则离心式空压机需要向燃料电池提供的空气质量流量mref可以表示为22=(1+)M4F,  strefatmOOnIm，当燃料电池电流Ist已知时，可以确定出离心式空压机所需提供的最优空气流量。但由于离心式空压机的流量与空压机转速、出口管道压强等呈复杂的非线性关系，为了精确控制离心式空压机出口流量大小，本文采用PID控制器通过控制电机输入电压实现燃料电池反应最优空气流量控制。

    2空压机出口流量PID控制技术,   PID控制是比例（proportion）、积分（integral）、微分（derivative）控制的简称。自上个世纪问世以来，被广泛应用于流量、温度、压力、液位等控制领域。与其他控制策略相比，PID控制的最大优势是可以应用于结构复杂、数学模型难以确定的系统，并且PID控制器的相关参数可以依据专家经验与现场调试确定。PID控制的基本原理是将系统的设定值与实际输出值的误差（差值）作为输入量，通过比例、积分、微分环节进行处理，计算出控制量，使得输出值不断地向设定值逼近，直到达到期望的设定值。PLC根据电堆电流的变化，带入计算出所需的空气流量，流量传感变送器将采集到的实际空气流量模拟信号输送到PLC后，经过PLC的A/D模块转换为数字量输送到PID模块，PID控制器将所需空气流量与实际输出流量的差值作为输入量，经过PID控制器计算进而输出相应的电机转速，经过D/A转换模块后转化为相应的电压到电机控制器从而带动离心式空压机高速运转，实现空压机出口流量控制。PID系统的控制效果直接受PID参数整定的影响，所以PID参数的整定是PID控制器设计的核心工作。PID控制器参数可以通过实验的方式进行手动整定。首先整定比例系数P，将积分系数I、微分系数D设置为0。初始的比例系数P不宜设置的过大，这是为了避免比例系数设置过大所导致的系统不稳定或超调量过大等异常情况。对只设置了比例系数的系统输入一个阶跃信号并观察系统响应，然后逐渐增大比例系数，直至得到系统稳定时间短，超调量小的响应曲线。如果在比例调节的基础上存在系统静差，则增加积分环节。为了保证系统的稳定，积分时间应设置一个较大的初值。然后将已经调节好的比例系数适当缩小，随后减小积分时间，至到使得系统在保持良好动态性能的情况下，消除了系统静差。在此过程中，需要通过系统响应的好坏反复调节比例参数和积分时间，以期最终得到一个满足控制要求的结果。如果在上述过程中，反复调节比例系数和积分时间，系统超调量仍然较大，则需要加入微分控制环节。微分时间从0逐渐增大，反复凑试比例、积分、微分系数，直到得到一个满意的控制效果。

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      总之，在实际应用过程中，PID控制器需要反复大量的试凑调整，才能达到较好的控制效果。随着PID整定技术的发展，现在的PID控制器已经可以通过自整定的方法确定相关参数，从而减少了PID使用过程中复杂的人工整定工作，提高了参数整定精度。本实验所选用的西门子S71200系列PLC拥有PID参数自整定功能，整定过程如下：首先在程序中添加循环中断组织块OB，在此OB中添加PID指令块，并进行控制器类型设定：打开西门子TIAPorta软件，在项目树下打开工艺对象，选择PID参数组态选项，弹出界面，在控制器类型中选择流量，单位与传感器单位一致。然后进入过程值设置，这是为了防止PID控制器输出越限，损坏实验仪器，故而为PID控制器标定输出的上下线。当反馈值超出设定范围时，系统将停止PID输出。

      PID控制器过程值限制,  然后打开调试面板进行PID参数自整定。S71200PLC的PID参数整定过程分为预调节与精确调节两个阶段。在调试面板中，首先选择预调节选项，系统将会进行参数预调节，当预调节结束后，选择精确调节选项，系统将通过计算延时时间和平衡时间的比值等数据来自动调整PID参数。当调试结束后，由于CPU并未把自整定结果上传到软件项目中，所以还需要手动上传PID参数。在上传PID参数完成后，PLC就可以按照PID算法实现对空压机出口空气流量的控制，燃料电池向离心式空压机的请求空气流量初始为32.3g/s，后续分别跳变为36.0g/s、43.1g/s、50.2g/s、39.5g/s，在这一过程中，PID控制器输出转速与空压机实际转速对比，空压机出口实际空气流量。 离心式空压机的实际转速与PID的输出转速相差较小，离心式空压机可以较好的跟随PID控制器输出转速的变化。在需求流量变化的一定范围内，PID控制器可以较好的响应流量的变化，使实际流量与需求流量基本一致，但随着需求流量的上升，PID控制器不能很好的响应变化，实际输出流量出现较大的波动。同时注意到，在需求流量从32.3g/s上升到43.1g/s过程中，离心式空压机实际输出流量与需求流量之间波动不大，但在需求流量从50.2g/s下降到39.5g/s时，离心式空压机的实际输出流量出现了波动。对于流量上升与流量下降的两个状态，PID控制器的有效控制范围不一致。为了使PID控制器可以较好的满足50.2g/s及以上的流量需求，需要重新整定PID相关参数。燃料电池向离心式空压机请求空气流量初始为36.0g/s，后续分别跳变为43.1g/s、50.2g/s、39.5g/s，采用二组整定参数的离心式空压机PID控制响应出口流量实验结果：二组PID参数控制空压机出口流量可以看出，当需求流量为50.2g/s时，使用二组参数的PID控制器可以有效的控制输出流量与需求流量一致，但当需求流量减小时，该PID控制器的控制效果出现较大误差。通过以上分析可以得出，一组固定参数的PID控制器只能在一定的流量范围内实现较好的流量控制，这一控制范围同时会随着电机处于加载状态和减载状态而改变。而在实际应用过程中，燃料电池的输出功率波动很大，进而离心式空压机的流量响应范围很大，为了更好的满足实际应用需求，需要使得PID控制器的相关参数具备在线自适应功能,否则控制效果达不到要求。这里通过引入模糊控制技术，构造了一种可以在线修改整定PID参数的模糊自适应PID控制器，从而满足应用需求。

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