[发明专利]燃料电池空气供给系统非线性控制器设计方法

说明书

一种燃料电池空气供给系统非线性控制器设计方法，属于控制技术领域。本发明针对汽车燃料电池的氧气过剩系数控制问题，利用鲁棒三步法来设计控制器，使燃料电池系统在获得充足氧气的同时保证功率最优的燃料电池空气供给系统非线性控制器设计方法。本发明的步骤是：空气供给系统面向控制模型的建立、鲁棒三步法控制器设计。本发明结合三步法与鲁棒控制设计了一个非线性控制器来跟踪氧气过剩系数。此控制方法具有简洁直观的结构，能够在保证系统稳定性的同时考虑系统的非线性特性。

技术领域

本发明属于控制技术领域。

背景技术

近年来，世界经济不断发展，全球汽车保有量不断快速增长，我国面临的能源和环境压力也日益增大。传统的内燃机汽车受到卡诺循环的限制，其能量转化效率低，并产生大量对环境不友好的气体，对环境造成污染。而燃料电池汽车因为其能量转换效率高、零排放、燃料(氢气)来源广泛和燃料补充方便等优点，被认为是汽车的终极形态。要想使我国燃料电池产业跟随甚至超过国际水平，我们必须对燃料电池系统进行控制。所以，对车用燃料电池系统及其相关设备的控制方案进行研究对燃料电池的推广和产业化具有重大的意义。质子交换膜燃料电池的效率和使用寿命很大程度上取决于空气供给系统的控制性能。氧气过剩系数控制对燃料电池汽车来说尤其重要，当氧气过剩系数过低时，将会缩短电池寿命甚至损坏交换膜；当氧气过剩系数过高时，将会降低整个系统的净功率。因此，如何设计控制器来产生合理的电压驱动压缩机，进而得到充足的空气，一直是汽车燃料电池研究的重要问题之一。针对汽车燃料电池的氧气过剩系数控制，主要有以下问题：

1.燃料电池空气供给系统结构复杂，具有强非线性特性，所以用线性方法设计的控制器其控制输出误差较大，不够精确；

2.以往设计的非线性控制器比较复杂，不能和稳定性分析相结合,其理论控制方法与工程实现之间还有较大的差距。

发明内容

本发明针对汽车燃料电池的氧气过剩系数控制问题，利用鲁棒三步法来设计控制器，使燃料电池系统在获得充足氧气的同时保证功率最优的燃料电池空气供给系统非线性控制器设计方法。

本发明的步骤是：

一、空气供给系统面向控制模型的建立：

1)面向控制模型建立：

设计了如下的非线性空气供给系统模型：

式中，ω_cp是压缩机的角速度，P_sm是进气管道压力，P_ca是阴极压力，u是控制输入(压缩机电压)，I_st是电堆电流，它通常被看成是空气供给系统中可测量的扰动量，W_cp是通过压缩机的空气质量流量；

2)空气质量流量W_cp的计算公式是：

式(1)中的常量a_i(i＝1，2，…，11)，式(2)中的常量α_j(j＝1，2，…5)以及与质子交换膜燃料电池系统相关的物理参数ψ、ψ_max给出如下：

α₁＝Bb₁，α₂＝Bb₂A，α₃＝Bb₃A²