固體燃料電池反應(yīng)釜溫度的極點(diǎn)配置控制

李愷如，楊素英

（大連理工大學(xué), 控制科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

點(diǎn)。使用積分器是為了消除階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

固體燃料電池反應(yīng)釜溫度的極點(diǎn)配置控制

李愷如，楊素英

（大連理工大學(xué), 控制科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116024）

固體燃料電池反應(yīng)釜是電池性能測試過程中的加熱設(shè)備。工藝要求反應(yīng)釜內(nèi)溫度按預(yù)先設(shè)定的升溫曲線變化并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。用一階慣性加純滯后模型近似描述被控溫度對象，采用極點(diǎn)配置控制算法，設(shè)計(jì)并實(shí)施了反應(yīng)釜溫度的程序升溫/恒溫計(jì)算機(jī)控制，取得了令人滿意的結(jié)果。

微反裝置；溫度控制；極點(diǎn)配置控制

固體燃料電池(Solid Fuel Cell，SFC)是一種直接將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能高效、環(huán)境友好地轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置[1]。SFC反應(yīng)釜是固體氧化物燃料電池?zé)Y(jié)、電極電導(dǎo)制備及電池性能測試過程中的加熱和反應(yīng)設(shè)備，其溫度的控制是關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)。工藝要求溫度控制系統(tǒng)能夠平穩(wěn)準(zhǔn)確地跟蹤設(shè)定的溫度曲線。溫度控制不好會導(dǎo)致電池的破裂、起翹、分層、龜裂、疏松等問題[2]。目前專門針對燃料電池反應(yīng)釜溫度控制的研究和應(yīng)用較少。文獻(xiàn)[3]采用可編程溫控儀表和計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了固體氧化物燃料電池集成監(jiān)控系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4]應(yīng)用廣義最小方差自適應(yīng)方法設(shè)計(jì)了SFC反應(yīng)釜溫度的程序升溫控制器，能夠滿足生產(chǎn)工藝控制要求。文獻(xiàn)[5,6]研究了改進(jìn)型九點(diǎn)控制器在SFC反應(yīng)釜溫度控制中的應(yīng)用，控制精度可達(dá)±2 ℃，基本上能夠滿足實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行科學(xué)研究的要求。但是九點(diǎn)控制器有9個(gè)參數(shù)需要整定，雖然每個(gè)參數(shù)的整定相對容易且獨(dú)立，但是要把全部的9個(gè)參數(shù)做較為完善的整定仍會相當(dāng)復(fù)雜。本文基于極點(diǎn)配置控制算法，設(shè)計(jì)并實(shí)施了SFC反應(yīng)釜溫度的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，取得了良好的控制效果。

1 反應(yīng)釜溫度計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

1.1 控制要求

SFC反應(yīng)釜通過耐火材料在其底部左右兩側(cè)各封裝了一根電阻絲作為電熱元件，兩電阻絲經(jīng)由外部導(dǎo)線串聯(lián)以減小通過電流。通電后電流通過電熱元件產(chǎn)生熱量，借助輻射和對流的傳遞方式將熱量傳遞給反應(yīng)釜，從而使釜內(nèi)溫度升高。

SFC單體電池制備工藝和測試過程對釜溫的要求為：①能夠?qū)崿F(xiàn)智能化程序溫度控制過程，升溫時(shí)間和溫度保持時(shí)間可設(shè)定，以滿足SFC單體電池性能測試的工藝流程；②能夠有效控制升溫速率，使得測試過程中每個(gè)階段的升溫速率都能滿足制備工藝的要求；③由于單體電池比較薄，升溫和過渡過程應(yīng)該盡量平穩(wěn)，不宜出現(xiàn)大的跳變、波動(dòng)和超調(diào)，以免因熱容的突然改變使得電池破裂。

1.2 計(jì)算機(jī)控制硬/軟件平臺

為實(shí)現(xiàn)對SFC反應(yīng)釜溫度數(shù)據(jù)的采集、控制量的計(jì)算以及控制輸出及執(zhí)行，搭建了如圖1所示的控制系統(tǒng)硬/軟件平臺。反應(yīng)釜的溫度控制是通過調(diào)節(jié)反應(yīng)釜的輸入電功率來實(shí)現(xiàn)的，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用過零型固態(tài)繼電器。實(shí)際應(yīng)用中，以K型熱電偶和AI708智能儀表作為溫度采集模塊,將溫度數(shù)據(jù)輸送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，在計(jì)算機(jī)程序中完成控制算法的運(yùn)算，得到固態(tài)繼電器通斷時(shí)間，定時(shí)輸出通斷的控制信號。系統(tǒng)采用研華ADAM4021作為輸出控制模塊，接收來自計(jì)算機(jī)的命令，轉(zhuǎn)而向固態(tài)繼電器輸出模擬信號控制其通斷狀態(tài)。由于計(jì)算機(jī)的串行口支持的是RS232協(xié)議，而AI708儀表與ADAM4021模塊僅支持485協(xié)議，所以需加入RS485/232轉(zhuǎn)換模塊以實(shí)現(xiàn)兩者與計(jì)算機(jī)之間的通訊。

本系統(tǒng)選擇Windows XP作為軟件開發(fā)平臺，采用Visual C++ 6.0作為控制系統(tǒng)的開發(fā)工具。反應(yīng)釜溫度控制系統(tǒng)的功能主要包括實(shí)時(shí)溫度的采集、控制算法的運(yùn)行、程序升溫曲線的設(shè)定、升溫曲線的實(shí)時(shí)顯示、系統(tǒng)故障報(bào)警等。

圖1 控制系統(tǒng)硬/軟件平臺Fig.1 Control system hardware/software platform

2 極點(diǎn)配置控制器

2.1 被控對象模型

SFC反應(yīng)釜的溫度可以用如下一階慣性加純滯后模型來近似描述：

采用零階保持器將其離散化為差分方程：

2.2 控制器結(jié)構(gòu)

點(diǎn)。使用積分器是為了消除階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

圖2 極點(diǎn)配置控制器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of pole-assignment controller

2.3 極點(diǎn)配置控制

設(shè)期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

通過反應(yīng)釜溫度的開環(huán)階躍響應(yīng)測試，求得反應(yīng)釜溫度對象的過程模型為：

可以看出,反應(yīng)釜溫度對象具有純滯后、大慣性、升溫單向性的特點(diǎn)。實(shí)際表明，當(dāng)溫升變化范圍較大時(shí)，上述數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)會發(fā)生變化，所以反應(yīng)釜還具有時(shí)變性和非線性，且因其升溫依靠電加熱，降溫依靠自然冷卻，故溫度超調(diào)后調(diào)整慢。

圖3 反應(yīng)釜溫度階躍響應(yīng)曲線Fig.3 Step response of the stove’s temperature

圖4 反應(yīng)釜溫度程序升溫/恒溫曲線Fig.4 Programmed temperature response of the stove

為驗(yàn)證該極點(diǎn)配置控制器的控制效果，分別進(jìn)行了反應(yīng)釜溫度的階躍升溫測試和程序升溫/恒溫測試。以下測試中，取Tc=0.33 min，e=0.93。圖3是反應(yīng)釜溫度的階躍響應(yīng)曲線及控制量變化曲線。

在反復(fù)測試中發(fā)現(xiàn)，如果僅僅使用極點(diǎn)配置率進(jìn)行控制，當(dāng)當(dāng)前溫度與設(shè)定值相差較大時(shí)，過渡過程比較緩慢。所以改進(jìn)算法，若當(dāng)前溫度與設(shè)定值相差較大則以固定功率加熱，若溫差在適當(dāng)限度之內(nèi)則采用極點(diǎn)配置控制器進(jìn)行控制。由圖3可見動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速且無超調(diào)，穩(wěn)態(tài)精度為±0.5 ℃，控制效果很理想。

圖4是反應(yīng)釜溫度的程序升溫及恒溫控制曲線，升溫速率為7.1 ℃/min，可見升溫階段平穩(wěn)且速率穩(wěn)定，恒溫階段精度達(dá)±0.5 ℃。

3 結(jié) 論

實(shí)際應(yīng)用表明, 本文設(shè)計(jì)的固體燃料電池反應(yīng)釜程序升溫/恒溫極點(diǎn)配置控制器能夠以快速、平穩(wěn)、高精度的優(yōu)良性能對反應(yīng)釜溫度進(jìn)行控制。它具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)方便等優(yōu)點(diǎn)。本控制系統(tǒng)為工程應(yīng)用提供了一種可供選擇的方案。

[1] 韓敏芳，彭蘇萍.固體氧化物燃料電池材料及制備[M].北京:科學(xué)出版社，2004.

[2] 謝淑紅.中溫固體氧化物燃料電池的制備工藝[D].武漢:華中科技大學(xué)，2004.

[3] 蒙奎君.固體氧化物燃料電池集成監(jiān)控系統(tǒng)[D].大連:大連理工大學(xué)，2008.

[4] 何麒.自適應(yīng)控制方法在程序升溫控制中的應(yīng)用研究[D].大連:大連理工大學(xué)，2010.

[5] 張忠賢.固體燃料電池反應(yīng)釜程序升溫控制系統(tǒng)[D].大連:大連理工大學(xué)，2007.

[6] 韋文代.基于九點(diǎn)控制器算法的溫度控制系統(tǒng)開發(fā)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008,19:29-30.

[7] 胡壽松.自動(dòng)控制原理 [M]. 第四版.北京:科學(xué)出社,2002:326-329.

Pole-Assignment Temperature Controller for Solid Fuel Cell Stove

LI Kai-ru, YANG Su-ying
(College of Control Science and Engineering, Dalian University of Technology, Liaoning Dalian 116024, China)

Solid Fuel Cell (SFC) stove performs as a heating device in the test for SFC electricity performance. The experimental process requires that the internal temperature of stove should track the preset temperature curve automatically. In this paper, a first-order inertia plus time delay model was used to describe approximately the temperature process，and a programmed temperature computer control system for SFC stove was established by using pole -assignment method. The actual application shows that the control effect is well.

Solid fuel cell (SFC) stove; Temperature control; Pole-assignment method

TP 273

A

1671-0460（2011）12-1228-03

2011-10-10

李愷如(1990-),女,遼寧撫順人,大連理工大學(xué)自動(dòng)化專業(yè)。E-mail：happykairu@mail.dlut.edu.cn。

指導(dǎo)教師：楊素英(1957-),女,遼寧大連人,碩士,副教授,1982年畢業(yè)于大連工學(xué)院無線電技術(shù)專業(yè)，研究方向:現(xiàn)場總線與計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)。E-mail: rr319@dlut.edu.cn。