固体燃料电池反应釜温度的极点配置控制

李恺如，杨素英

（大连理工大学, 控制科学与工程学院，辽宁 大连 116024）

点。使用积分器是为了消除阶跃响应的稳态误差。

固体燃料电池反应釜温度的极点配置控制

李恺如，杨素英

（大连理工大学, 控制科学与工程学院，辽宁 大连 116024）

固体燃料电池反应釜是电池性能测试过程中的加热设备。工艺要求反应釜内温度按预先设定的升温曲线变化并实现自动控制。用一阶惯性加纯滞后模型近似描述被控温度对象，采用极点配置控制算法，设计并实施了反应釜温度的程序升温/恒温计算机控制，取得了令人满意的结果。

微反装置；温度控制；极点配置控制

固体燃料电池(Solid Fuel Cell，SFC)是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化为电能的发电装置[1]。SFC反应釜是固体氧化物燃料电池烧结、电极电导制备及电池性能测试过程中的加热和反应设备，其温度的控制是关键的技术指标。工艺要求温度控制系统能够平稳准确地跟踪设定的温度曲线。温度控制不好会导致电池的破裂、起翘、分层、龟裂、疏松等问题[2]。目前专门针对燃料电池反应釜温度控制的研究和应用较少。文献[3]采用可编程温控仪表和计算机技术设计了固体氧化物燃料电池集成监控系统。文献[4]应用广义最小方差自适应方法设计了SFC反应釜温度的程序升温控制器，能够满足生产工艺控制要求。文献[5,6]研究了改进型九点控制器在SFC反应釜温度控制中的应用，控制精度可达±2 ℃，基本上能够满足实验室进行科学研究的要求。但是九点控制器有9个参数需要整定，虽然每个参数的整定相对容易且独立，但是要把全部的9个参数做较为完善的整定仍会相当复杂。本文基于极点配置控制算法，设计并实施了SFC反应釜温度的计算机控制系统，取得了良好的控制效果。

1 反应釜温度计算机控制系统

1.1 控制要求

SFC反应釜通过耐火材料在其底部左右两侧各封装了一根电阻丝作为电热元件，两电阻丝经由外部导线串联以减小通过电流。通电后电流通过电热元件产生热量，借助辐射和对流的传递方式将热量传递给反应釜，从而使釜内温度升高。

SFC单体电池制备工艺和测试过程对釜温的要求为：①能够实现智能化程序温度控制过程，升温时间和温度保持时间可设定，以满足SFC单体电池性能测试的工艺流程；②能够有效控制升温速率，使得测试过程中每个阶段的升温速率都能满足制备工艺的要求；③由于单体电池比较薄，升温和过渡过程应该尽量平稳，不宜出现大的跳变、波动和超调，以免因热容的突然改变使得电池破裂。

1.2 计算机控制硬/软件平台

为实现对SFC反应釜温度数据的采集、控制量的计算以及控制输出及执行，搭建了如图1所示的控制系统硬/软件平台。反应釜的温度控制是通过调节反应釜的输入电功率来实现的，执行机构采用过零型固态继电器。实际应用中，以K型热电偶和AI708智能仪表作为温度采集模块,将温度数据输送给计算机进行处理，在计算机程序中完成控制算法的运算，得到固态继电器通断时间，定时输出通断的控制信号。系统采用研华ADAM4021作为输出控制模块，接收来自计算机的命令，转而向固态继电器输出模拟信号控制其通断状态。由于计算机的串行口支持的是RS232协议，而AI708仪表与ADAM4021模块仅支持485协议，所以需加入RS485/232转换模块以实现两者与计算机之间的通讯。

本系统选择Windows XP作为软件开发平台，采用Visual C++ 6.0作为控制系统的开发工具。反应釜温度控制系统的功能主要包括实时温度的采集、控制算法的运行、程序升温曲线的设定、升温曲线的实时显示、系统故障报警等。

图1 控制系统硬/软件平台Fig.1 Control system hardware/software platform

2 极点配置控制器

2.1 被控对象模型

SFC反应釜的温度可以用如下一阶惯性加纯滞后模型来近似描述：

采用零阶保持器将其离散化为差分方程：

2.2 控制器结构

点。使用积分器是为了消除阶跃响应的稳态误差。

图2 极点配置控制器结构Fig.2 Structure of pole-assignment controller

2.3 极点配置控制

设期望的闭环传递函数为：

通过反应釜温度的开环阶跃响应测试，求得反应釜温度对象的过程模型为：

可以看出,反应釜温度对象具有纯滞后、大惯性、升温单向性的特点。实际表明，当温升变化范围较大时，上述数学模型中的参数会发生变化，所以反应釜还具有时变性和非线性，且因其升温依靠电加热，降温依靠自然冷却，故温度超调后调整慢。

图3 反应釜温度阶跃响应曲线Fig.3 Step response of the stove’s temperature

图4 反应釜温度程序升温/恒温曲线Fig.4 Programmed temperature response of the stove

为验证该极点配置控制器的控制效果，分别进行了反应釜温度的阶跃升温测试和程序升温/恒温测试。以下测试中，取Tc=0.33 min，e=0.93。图3是反应釜温度的阶跃响应曲线及控制量变化曲线。

在反复测试中发现，如果仅仅使用极点配置率进行控制，当当前温度与设定值相差较大时，过渡过程比较缓慢。所以改进算法，若当前温度与设定值相差较大则以固定功率加热，若温差在适当限度之内则采用极点配置控制器进行控制。由图3可见动态响应迅速且无超调，稳态精度为±0.5 ℃，控制效果很理想。

图4是反应釜温度的程序升温及恒温控制曲线，升温速率为7.1 ℃/min，可见升温阶段平稳且速率稳定，恒温阶段精度达±0.5 ℃。

3 结 论

实际应用表明, 本文设计的固体燃料电池反应釜程序升温/恒温极点配置控制器能够以快速、平稳、高精度的优良性能对反应釜温度进行控制。它具有结构简单、设计方便等优点。本控制系统为工程应用提供了一种可供选择的方案。

[1] 韩敏芳，彭苏萍.固体氧化物燃料电池材料及制备[M].北京:科学出版社，2004.

[2] 谢淑红.中温固体氧化物燃料电池的制备工艺[D].武汉:华中科技大学，2004.

[3] 蒙奎君.固体氧化物燃料电池集成监控系统[D].大连:大连理工大学，2008.

[4] 何麒.自适应控制方法在程序升温控制中的应用研究[D].大连:大连理工大学，2010.

[5] 张忠贤.固体燃料电池反应釜程序升温控制系统[D].大连:大连理工大学，2007.

[6] 韦文代.基于九点控制器算法的温度控制系统开发[J].微计算机信息,2008,19:29-30.

[7] 胡寿松.自动控制原理 [M]. 第四版.北京:科学出社,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

李恺如(1990-),女,辽宁抚顺人,大连理工大学自动化专业。E-mail：happykairu@mail.dlut.edu.cn。

指导教师：杨素英(1957-),女,辽宁大连人,硕士,副教授,1982年毕业于大连工学院无线电技术专业，研究方向:现场总线与计算机监控技术。E-mail: rr319@dlut.edu.cn。