固體燃料電池反應釜溫度的極點配置控制

李愷如，楊素英

（大連理工大學, 控制科學與工程學院，遼寧 大連 116024）

點。使用積分器是為了消除階躍響應的穩態誤差。

固體燃料電池反應釜溫度的極點配置控制

李愷如，楊素英

（大連理工大學, 控制科學與工程學院，遼寧 大連 116024）

固體燃料電池反應釜是電池性能測試過程中的加熱設備。工藝要求反應釜內溫度按預先設定的升溫曲線變化并實現自動控制。用一階慣性加純滯后模型近似描述被控溫度對象，采用極點配置控制算法，設計并實施了反應釜溫度的程序升溫/恒溫計算機控制，取得了令人滿意的結果。

微反裝置；溫度控制；極點配置控制

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能高效、環境友好地轉化為電能的發電裝置[1]。SFC反應釜是固體氧化物燃料電池燒結、電極電導制備及電池性能測試過程中的加熱和反應設備，其溫度的控制是關鍵的技術指標。工藝要求溫度控制系統能夠平穩準確地跟蹤設定的溫度曲線。溫度控制不好會導致電池的破裂、起翹、分層、龜裂、疏松等問題[2]。目前專門針對燃料電池反應釜溫度控制的研究和應用較少。文獻[3]采用可編程溫控儀表和計算機技術設計了固體氧化物燃料電池集成監控系統。文獻[4]應用廣義最小方差自適應方法設計了SFC反應釜溫度的程序升溫控制器，能夠滿足生產工藝控制要求。文獻[5,6]研究了改進型九點控制器在SFC反應釜溫度控制中的應用，控制精度可達±2 ℃，基本上能夠滿足實驗室進行科學研究的要求。但是九點控制器有9個參數需要整定，雖然每個參數的整定相對容易且獨立，但是要把全部的9個參數做較為完善的整定仍會相當復雜。本文基于極點配置控制算法，設計并實施了SFC反應釜溫度的計算機控制系統，取得了良好的控制效果。

1 反應釜溫度計算機控制系統

1.1 控制要求

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

SFC單體電池制備工藝和測試過程對釜溫的要求為：①能夠實現智能化程序溫度控制過程，升溫時間和溫度保持時間可設定，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，升溫和過渡過程應該盡量平穩，不宜出現大的跳變、波動和超調，以免因熱容的突然改變使得電池破裂。

1.2 計算機控制硬/軟件平臺

為實現對SFC反應釜溫度數據的采集、控制量的計算以及控制輸出及執行，搭建了如圖1所示的控制系統硬/軟件平臺。反應釜的溫度控制是通過調節反應釜的輸入電功率來實現的，執行機構采用過零型固態繼電器。實際應用中，以K型熱電偶和AI708智能儀表作為溫度采集模塊,將溫度數據輸送給計算機進行處理，在計算機程序中完成控制算法的運算，得到固態繼電器通斷時間，定時輸出通斷的控制信號。系統采用研華ADAM4021作為輸出控制模塊，接收來自計算機的命令，轉而向固態繼電器輸出模擬信號控制其通斷狀態。由于計算機的串行口支持的是RS232協議，而AI708儀表與ADAM4021模塊僅支持485協議，所以需加入RS485/232轉換模塊以實現兩者與計算機之間的通訊。

本系統選擇Windows XP作為軟件開發平臺，采用Visual C++ 6.0作為控制系統的開發工具。反應釜溫度控制系統的功能主要包括實時溫度的采集、控制算法的運行、程序升溫曲線的設定、升溫曲線的實時顯示、系統故障報警等。

圖1 控制系統硬/軟件平臺Fig.1 Control system hardware/software platform

2 極點配置控制器

2.1 被控對象模型

SFC反應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 控制器結構

點。使用積分器是為了消除階躍響應的穩態誤差。

圖2 極點配置控制器結構Fig.2 Structure of pole-assignment controller

2.3 極點配置控制

設期望的閉環傳遞函數為：

通過反應釜溫度的開環階躍響應測試，求得反應釜溫度對象的過程模型為：

可以看出,反應釜溫度對象具有純滯后、大慣性、升溫單向性的特點。實際表明，當溫升變化范圍較大時，上述數學模型中的參數會發生變化，所以反應釜還具有時變性和非線性，且因其升溫依靠電加熱，降溫依靠自然冷卻，故溫度超調后調整慢。

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

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

為驗證該極點配置控制器的控制效果，分別進行了反應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是反應釜溫度的階躍響應曲線及控制量變化曲線。

在反復測試中發現，如果僅僅使用極點配置率進行控制，當當前溫度與設定值相差較大時，過渡過程比較緩慢。所以改進算法，若當前溫度與設定值相差較大則以固定功率加熱，若溫差在適當限度之內則采用極點配置控制器進行控制。由圖3可見動態響應迅速且無超調，穩態精度為±0.5 ℃，控制效果很理想。

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

3 結 論

實際應用表明, 本文設計的固體燃料電池反應釜程序升溫/恒溫極點配置控制器能夠以快速、平穩、高精度的優良性能對反應釜溫度進行控制。它具有結構簡單、設計方便等優點。本控制系統為工程應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，2004.

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

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

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

[6] 韋文代.基于九點控制器算法的溫度控制系統開發[J].微計算機信息,2008,19:29-30.

[7] 胡壽松.自動控制原理 [M]. 第四版.北京:科學出社,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,大連理工大學自動化專業。E-mail：happykairu@mail.dlut.edu.cn。

指導教師：楊素英(1957-),女,遼寧大連人,碩士,副教授,1982年畢業于大連工學院無線電技術專業，研究方向:現場總線與計算機監控技術。E-mail: rr319@dlut.edu.cn。