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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): 1-11 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): 1-11 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. 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. 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, 主要从事燃料电池系统设计与智能控制研究

  • 中图分类号: TK91

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上存在局限。为此, 建立了PEMFC数学模型(含能斯特电压及活化、欧姆、浓差损失)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控制原则与PEMFC非线性特性, 实现了比例、积分、微分参数的在线动态自整定, 从而实时优化DC-DC变换器占空比。结果表明: 相较于传统PID, 模糊PID控制可将系统调节时间缩短, 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心脏的高效、稳定波动提供了可靠的理论基石与解决方案。

     

  • 图  1  PEMFC仿真图

    Figure  1.  PEMFC simulation diagram

    图  2  电流输入

    Figure  2.  Current Input

    图  3  PEMFC电压输出

    Figure  3.  PEMFC voltage output

    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 boost circuit

    图  6  Boost升压电路Simulink仿真结果

    Figure  6.  Simulink simulation results of Boost boost circuit

    图  7  模糊PID基本模型

    Figure  7.  Basic fuzzy PID model

    图  8  模糊PID控制PEMFC稳压系统的原理

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

    图  9  模糊控制器

    Figure  9.  Fuzzy controller

    图  10  EEC 隶属度函数示意

    Figure  10.  Membership functions of E and EC

    图  11  KpKiKd隶属度函数示意

    Figure  11.  Membership functions of Kp, Ki and Kd

    图  12  模糊规则

    Figure  12.  Fuzzy rules

    图  13  KpKiKd的输出表面

    Figure  13.  Output surfaces of Kp, Ki, and Kd

    图  14  基于模糊PID的PEMFC稳压系统的仿真图

    Figure  14.  Simulation of fuzzy PID based PEMFC voltage stabilization system

    图  15  模糊PID控制器子系统

    Figure  15.  Fuzzy PID controller subsystem

    图  16  模糊PID 中KpKiKd自调节

    Figure  16.  Self-regulation of Kp, Ki, Kd in fuzzy PID

    图  17  不同控制器下系统输出电压

    Figure  17.  System output voltage with different controllers

    图  18  不同控制器下系统偏差

    Figure  18.  System deviation with different controllers

    图  19  不同控制器下系统偏差变化率

    Figure  19.  Rate of change of system deviation with different controllers

    图  20  不同控制器下占空比d

    Figure  20.  Duty cycle d 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工作温度/K 323 A/cm2 60
    PH2/atm 0.5 λ 20
    PO2/atm 0.3 B 0.016
    I工作电流/A 16 imax/ (A/cm2) 1.5
    尺寸/mm 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: T工作温度为PEMFC的工作温度; I工作电流为工作电流; Mst为PEMFC的质量; Cst为PEMFC。
    下载: 导出CSV

    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
    03560
    1246015
    2558016
    321020016
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    表  3  Boost升压电路参数表

    Table  3.   Parameter list of Boost boost circuit

    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  模糊控制器的模糊规则表Kp

    Table  4.   Fuzzy rule table for fuzzy controller Kp

    EEc
    NBNMNSZPSPMPB
    NBZZZZPSPSPS
    NMZZZZPSPSPS
    NSPSPSPSPSPSPMPM
    ZPSPSPSPSPSPMPM
    PSPMPMPMPMPMPBPB
    PMPMPMPMPMPMPBPB
    PBPMPMPMPMPMPBPB
    下载: 导出CSV

    表  5  模糊控制器的模糊规则表Ki

    Table  5.   Table of fuzzy rules for fuzzy controller Ki

    EEc
    NBNMNSZPSPMPB
    NBNBNBNMZNMNMZ
    NMNBNBNMNSNSZZ
    NSNBNMZZZPSZ
    ZNMNMNSZPSPMPM
    PSZNSZPSPSPMPB
    PMZZPSPMPMPBPB
    PBZZPSPMPMPBPB
    下载: 导出CSV

    表  6  模糊控制器的模糊规则表Kd

    Table  6.   Table of fuzzy rules for fuzzy controller Kd

    EEc
    NBNMNSZPSPMPB
    NBNSNSNSNSNSPSPS
    NMNSNSNSNSNSPSPM
    NSNSNSNSZZPSPM
    ZNSNSNSZZPSPM
    PSNSNSZZZPSPM
    PMNSNSZPSPSPSPB
    PBNSNSZPSPSPSPM
    下载: 导出CSV
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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

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