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基于模糊控制的水下无人动力平台PEMFC稳压系统仿真

边洋震 肖宗亮 杨健 钟泉鸣 丁毅 张林

边洋震, 肖宗亮, 杨健, 等. 基于模糊控制的水下无人动力平台PEMFC稳压系统仿真[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(6): 1014-1023 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0061
引用本文: 边洋震, 肖宗亮, 杨健, 等. 基于模糊控制的水下无人动力平台PEMFC稳压系统仿真[J]. 水下无人系统学报, 2025, 33(6): 1014-1023 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0061
BIAN Yangzhen, XIAO Zongliang, YANG Jian, ZHONG Quanming, DING Yi, ZHANG Lin. Simulation of PEMFC Voltage Stabilization System for Underwater Unmanned Power Platform Based on Fuzzy Control[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2025, 33(6): 1014-1023. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0061
Citation: BIAN Yangzhen, XIAO Zongliang, YANG Jian, ZHONG Quanming, DING Yi, ZHANG Lin. Simulation of PEMFC Voltage Stabilization System for Underwater Unmanned Power Platform Based on Fuzzy Control[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2025, 33(6): 1014-1023. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0061

基于模糊控制的水下无人动力平台PEMFC稳压系统仿真

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2025-0061
基金项目: 国家自然科学基金项目(52075487, 52442113).
详细信息
    作者简介:

    边洋震(2000-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为燃料电池系统设计与智能控制

  • 中图分类号: TJ630.32; U674.941

Simulation of PEMFC Voltage Stabilization System for Underwater Unmanned Power Platform Based on Fuzzy Control

  • 摘要: 针对水下无人动力平台对高效、稳定能源系统的需求, 文中聚焦质子交换膜燃料电池(PEMFC)输出电压强非线性、易波动的难题, 提出一种基于模糊比例-积分-微分(PID)自适应控制的DC-DC变换器稳压策略。PEMFC输出电压因强非线性特性且易波动, 传统控制方法在动态响应与鲁棒性方面存在局限。为此, 建立了含能斯特电压及活化、欧姆、浓差损失的PEMFC数学模型, 以及Boost升压电路模型, 剖析其电压波动机理; 设计了一种模糊PID控制器, 其规则库深度耦合PID控制原理与PEMFC非线性特性, 实现了PID参数的在线动态自整定, 从而实时优化DC-DC变换器占空比。仿真结果表明: 相较于传统PID控制, 模糊PID控制可缩短系统调节时间, 使稳态误差趋近于零, 在电流突变工况下输出电压波动范围缩小至±0.5 V以内, 且占空比响应更精准。该模糊PID自适应策略显著增强了系统的动态响应速度与鲁棒性, 为水下无人平台能源系统的高效、稳定运行提供了可靠的理论支撑与解决方案。

     

  • 图  1  PEMFC仿真图

    Figure  1.  Diagram of PEMFC simulation

    图  2  CC模式下输入电流

    Figure  2.  Input current under constant current mode

    图  3  PEMFC输出电压曲线

    Figure  3.  Curve of PEMFC output voltage

    图  4  PEMFC DC-DC变换器拓扑图

    Figure  4.  Topology of PEMFC DC-DC converter

    图  5  Boost升压电路Simulink仿真模型

    Figure  5.  Simulink simulation model of Boost converter

    图  6  Boost升压电路Simulink仿真结果

    Figure  6.  Simulink simulation results of Boost converter

    图  7  模糊PID控制基本模型

    Figure  7.  Basic model of fuzzy PID control

    图  8  模糊PID控制PEMFC稳压系统原理

    Figure  8.  Principle of fuzzy PID control PEMFC voltage stabilization system

    图  9  KpKiKd的输出表面

    Figure  9.  Output surfaces of Kp, Ki, and Kd

    图  10  基于模糊PID的PEMFC稳压系统仿真图

    Figure  10.  Simulation of fuzzy PID-based PEMFC voltage stabilization system

    图  11  模糊PID控制器子系统

    Figure  11.  Fuzzy PID controller subsystem

    图  12  模糊PID 控制中KpKiKd自调节曲线

    Figure  12.  Self-regulation curves of Kp, Ki, Kd in fuzzy PID control

    图  13  不同控制器系统输出电压

    Figure  13.  System output voltage of different controllers

    图  14  不同控制器系统偏差

    Figure  14.  System deviation of different controllers

    图  15  不同控制器系统偏差变化率

    Figure  15.  Change rate of system deviation of different controllers

    图  16  不同控制器占空比

    Figure  16.  Duty cycle with different controllers

    表  1  PEMFC主要参数

    Table  1.   Main parameters of PEMFC

    参数 参数
    n/个 35 l/cm 0.04
    T/K 323 A/cm2 60
    PH2/atm 0.5 λ 20
    PO2/atm 0.3 B 0.016
    I/A 16 imax/ (A/cm2) 1.5
    尺寸/mm3 104×67×120 Cst/[kJ/(kg·K)] 0.71
    Mst/kg 1.08 理想工作温度/K 318.15~327.15
    注: Mst为PEMFC的质量; Cst为PEMFC的比热容。
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    表  2  输入电流数据

    Table  2.   Input current data

    时间/s 电流/A 时间/s 电流/A
    0 3 56 0
    12 4 60 15
    25 5 80 16
    32 10 200 16
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    表  3  Boost升压电路参数

    Table  3.   Parameters of Boost converter

    参数 参数
    η 1(仿真时) d 0.46
    P/W 416 L/μH 100
    Fs/Hz 25 000 C/μF 330
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    表  4  Kp模糊规则表

    Table  4.   Table of fuzzy rule for Kp

    EEC
    NBNMNSZPSPMPB
    NBZZZZPSPSPS
    NMZZZZPSPSPS
    NSPSPSPSPSPSPMPM
    ZPSPSPSPSPSPMPM
    PSPMPMPMPMPMPBPB
    PMPMPMPMPMPMPBPB
    PBPMPMPMPMPMPBPB
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    表  5  Ki模糊规则表

    Table  5.   Table of fuzzy rules for Ki

    EEC
    NBNMNSZPSPMPB
    NBNBNBNMZNMNMZ
    NMNBNBNMNSNSZZ
    NSNBNMZZZPSZ
    ZNMNMNSZPSPMPM
    PSZNSZPSPSPMPB
    PMZZPSPMPMPBPB
    PBZZPSPMPMPBPB
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    表  6  Kd模糊规则表

    Table  6.   Table of fuzzy rules for Kd

    E EC
    NB NM NS Z PS PM PB
    NB NS NS NS NS NS PS PS
    NM NS NS NS NS NS PS PM
    NS NS NS NS Z Z PS PM
    Z NS NS NS Z Z PS PM
    PS NS NS Z Z Z PS PM
    PM NS NS Z PS PS PS PB
    PB NS NS Z PS PS PS PM
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-04-24
  • 修回日期:  2025-06-22
  • 录用日期:  2025-07-04
  • 网络出版日期:  2025-11-04
图(16) / 表(6)

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