[发明专利]一种燃料电池进气系统的解耦控制方法

权利要求书

1.一种燃料电池进气系统的解耦控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、建立燃料电池进气系统模型，其中依次包括空气压缩机系统建模、进气歧管建模、阴极建模和节气门建模；

在步骤一中，所述空气压缩机建模包括以下步骤：

压缩机的出口流量与其速度呈正相关，与其压缩比呈负相关，因此通过扭矩平衡方程可建立压缩机的动态方程如下：

采用带惯性的集总转动参数模型来表示压缩机转动角速度的动态特性，如下式(1):

式中，ω_cp是压缩机转动角速度，J_cp是压缩机的惯性指数，τ_cm是压缩机的转矩输入，τ_cp是驱动压缩机的所需转矩，t表示时间；

通过静态电机方程得出压缩机的电机转矩，见公式(2)：

式中，η_cm是电机效率，k_t,R_cm,k_v是压缩机的机械常数，v_cm是压缩机电压；

根据热动力学方程得出驱动压缩机的所需转矩，见公式(3)：

式中，C_p是空气的比热容，T_atm是大气压下空气的温度，γ是空气的比热系数，p_sm是进气歧管的压力，p_atm是进气压力，η_cp是压缩机的效率，W_cp是压缩机输出的空气流率，由(4)式表示：

其中，W_cp是利用Matlab中的曲线拟合工具通过多项式拟合导出的压缩机流量，式中，p_i,i＝1,...,8是拟合系数；

在步骤一中，所述进气歧管建模包括以下步骤：

根据质量守恒定律和理想气体定律，在进气歧管内的空气压力的动力学方程由(5)式表示：

式中，R_a是理想气体常数，V_sm是进气歧管体积，T_cp表示空气离开压缩机的温度，W_sm是流出进气歧管的流量并且等于流入阴极的流量；

T_cp和W_sm分别由下式(6)和(7)表示：

W_sm＝k_sm(p_sm-p_ca) (7)

式中，k_sm是流量常数，p_ca是阴极压力；

步骤一中，所述阴极建模包括以下步骤：

阴极的动力学描述了空气质量和压力的变化，由理想气体方程和电化学方程组成，由式(8)表示：

式中，V_ca和和Ro₂分别是阴极的体积和氧气气体常数，T_st是阴极的操作温度，Wo_2,react是PEMFC实际消耗的氧气流量；

Wo_2,react是关于负载电流I_st的方程，由(9)式表示：

式中，n_cell是在PEMFC中单电池的数量，F是法拉第常数，是氧气的摩尔质量；

根据喷嘴流量方程计算出阴极出口流量W_ca,out，由(10)式表示：

式中，C_D,tr节气门排放系数，A_T,tr是节气门开口面积，θ是调节阴极输出流量的节气门开度角，是一般气体常数；

步骤一中，所述节气门建模包括以下步骤：

燃料电池节气门的开度的动态特性可以近似为一阶方程，由(11)式表示：

式中，T_tr是节气门反应时间常数，θ^*是节气门开度命令；

最后，将模型整理为面向控制模型如式(12)表示：

式中，a_i，i＝1,...,12,根据每个部件的规格计算得到；

步骤二、控制器的设计,包括以下步骤：

1)模型线性化：

在式(12)中建立的面向控制模型改写为公式(13)中的标准状态模型方程，以规范控制器的设计，式13如下表示：

x＝f(x)+g₁(x)u₁+g₂(x)u₂ (13a)

y＝h(x) (13b)

式中

x＝[ω_cp p_sm p_ca θ]^T (14a)

u＝[u₁ u₂]^T＝[v_cm θ^*] (14b)

g₁(x)＝[a₅ 0 0 0]^T (14d)

h₁(x)＝[0 a₈ -a₈ 0]x (14f)

h₂(x)＝[0 0 1 0]x (14g)

式中，f(x),g_i(x),i＝1,2在四维空间上是平滑函数；

采用模型线性化的方法，对系统输出h_j(x)求二阶李导数得到以下模型，由式(15)表示：

2)外部干扰估计策略，依次包括以下步骤：

2.1)参考信号的设计，包括以下步骤：

两个控制输出最佳参考值：最优流量值和最优阴极压力值与负载电流相关，最佳流速可以表示为与耗氧量数、比例常数和最佳氧过剩比的函数：

式中，是0.21，由式(17)表示：

最佳阴极压力用于跟踪阳极的氢压，最佳阴极压力一般与负载电流呈正相关，并由此给出合理范围的最佳阴极压力的轨迹；

2.2)扰动观测器的设计，包括以下步骤：

由于系统的不确定性，用ΔE_fc(x)和ΔA_fc(x)表示模型不确定性产生的影响，由式(18)表示：

式中，用d₁和d₂项代表扰动；

设计一个扩张状态观测器来估计所建模型的不确定性d：首先定义变量即：以及一个扩张状态同理定义：以及一个扩张状态将式(18)重新写成如下的状态空间方程(19)：

式中，b₁,b₂是未知扰动的变化率；

扩张状态观测器可以写成如下式(20)：

参数ω_o由参数调整规则来选择；

所述参数调整规则为：

根据经典控制理论，如果特征多项式的根在左半平面，那么系统是稳定的； 因此得到的传递函数，由式(23 )表示：

那么其特征方程式，由式(24)表示：

因此，其控制增益选择如下式(25)：

同样，根据以上方法，结合式(19)、式(20)，求得 其控制增益如下式(26)：

2.3)反馈控制律，包括以下步骤：

选择虚拟控制输入和由式(21)表示：

忽略和中的估计误差，导出新的控制输入与实际控制输入之间的转换关系式为方程(22)：

由上述公式，根据负载电流参考发电模块规划最佳输出，即流量和阴极压力，然后，通过扩张状态观测器模块获得的真实输出的估计值与参考值之间的差异以PID的形式作用于误差反馈模块，生成虚拟控制输入，最后，非线性反馈变换模块将虚拟控制输入转换为实际控制输入来调节空气供应子系统，完成燃料电池进气系统的解耦控制方法。