[发明专利]一种基于数据驱动自抗扰控制的燃料电池温度控制方法

说明书

本发明公开了一种基于数据驱动自抗扰控制的燃料电池温度控制方法，包括以下步骤：S1：建立燃料电池电堆的非线性温度模型；S2：通过自抗扰控制器对非线性温度模型进行控制；S3：通过扩张状态观测器对外部总扰动进行观测与反馈，将非线性温度模型补偿为理想纯积分模型；S4：基于非线性温度模型整定传统PI控制器，将传统PI控制器的比例增益用于设计外环比例控制器，对理想纯积分模型进行控制，达到抗干扰与跟踪的优化目标。本发明基于多工况温度响应实验曲线的非线性模型更加直观、真实；本发明的自抗扰控制器改善了燃料电池温度抗扰与跟踪控制性能，提高了控制系统的鲁棒性、稳定性与响应速度。

技术领域

本发明涉及自动控制领域，特别是涉及一种基于数据驱动自抗扰控制的燃料电池温度控制方法。

背景技术

随着全社会对可持续发展战略的日益关注，绿色能源的研究与应用前景空前宽广。燃料电池凭借其不受制于环境的稳定输出、高效率、零碳排放(针对氢燃料电池)与控制灵活性在各种绿色能源中脱颖而出，不但被全世界学者广泛研究，而且作为交通工具或分布式能源的供能单元活跃于市场。

尽管发展势头良好，一些尚未攻克的技术难题依旧阻滞了燃料电池的大规模商业化进程。其中，电堆温度控制品质与电池运行高效性、可靠性、安全性紧密相连，是亟待解决的关键问题。电堆温度由电化学反应附加的产热量与散热单元的散热量之间的平衡决定，对于质子交换膜燃料电池，最佳运行温度为40-100℃，过高的电堆温度会降低输送效应并对膜材料造成不可逆损伤，过低的温度则会降低电化学反应速率，因此稳定的电堆温度对电池的高效、安全运转有重要意义。

燃料电池电堆温度控制难点主要在于系统内部的强非线性与多样的外部未知扰动。首先，在不同的运行工况下，如不同的运行环境温度或发电负荷时，燃料电池电堆温度模型皆不相同、互相偏离，表现出强非线性特性。同时，作为供能单元的燃料电池系统发电功率随用户需求而变化，此不确定扰动往往快速发生，对反应迟滞的温度调节系统是巨大挑战。其他扰动如环境温度变化、入口气流湿度变化等也会导致温度偏离设定值。再者，当燃料电池工作在热电联产系统中时，准确、快速、稳定的温度设定值跟踪能力是保证联产效率与供热品质的重要因素。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够解决现有技术中存在的缺陷的基于数据驱动自抗扰控制的燃料电池温度控制方法，能够改善温度在负荷需求指令波动下的抗扰品质，并保证良好的跟踪控制性能。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的基于数据驱动自抗扰控制的燃料电池温度控制方法，包括以下步骤：

S1：建立燃料电池电堆的非线性温度模型；

S2：通过自抗扰控制器对非线性温度模型进行控制；

S3：通过扩张状态观测器对外部总扰动进行观测与反馈，将非线性温度模型补偿为理想纯积分模型；

S4：基于非线性温度模型整定传统PI控制器，将传统PI控制器的比例增益用于设计外环比例控制器，对理想纯积分模型进行控制，达到抗干扰与跟踪的优化目标。

进一步，所述燃料电池电堆温度模型如式(1)所示：

式(1)中，P_n为燃料电池电堆温度被控对象的开环增益，T_n为时间常数，它们都是环境温度T_ab、用电负荷L_d与运行时间t的函数；f_P为P_n与T_ab、L_d、t之间的函数关系，f_T为T_n与T_ab、L_d、t之间的函数关系。

进一步，所述自抗扰控制器通过以下过程得到：