专利名称：基于最优过氧比的质子交换膜燃料电池系统二自由度控制方法
技术领域：
本发明涉及燃料电池技术，尤其是质子交换膜燃料电池系统控制方法技术领域。
背景技术：
随着全球变暖问题的出现，燃料电池技术由于具有高效、环境友好的特点，被视为一种具有发展前景的能源技术。与其它类型的燃料电池相比，质子交换膜燃料电池O^roton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)具有运行温度低、功率密度高、响应快、稳定性好以及当使用纯氢气时不会造成环境污染等特点，适用于便携式动力源、混合动力车辆及分布式发电。PEMFC发电系统是一个强耦合、非线性的复杂动态系统。当被驱动负载发生变化时电堆电流会相应地变化。若阴极氧气流量过低，则系统会由于供氧不足，降低其输出功率， 即产生氧匮乏现象；若供给氧气量超过一定限度后，则会使系统寄生功耗增大，进而降低了系统的净输出功率。目前国内外已经开展了有关以上现象的研究，已有的研究结果表明为了防止氧匮乏和过量氧气供给的问题，应当采用有效的控制方法使系统过氧比(Oxygen Excess Ratio,0ER)维持在最优值。而且由于空气供应子系统与氢气供应子系统相比具有较慢的动态响应，在快速的暂态运行中，如车辆的急加速和减速过程，氧匮乏和过量氧气供给的问题难于解决。因此，采用有效的控制策略维持系统最优0ER，对于改善PEMFC系统的净输出功率具有极其重要的意义。目前，针对PEMFC系统最佳OER问题的研究成果相对较少。已提出的控制方法主要包括最优控制、神经网络控制、滑模控制及预测控制等。这些控制方法仅仅是基于氧匮乏问题动态模型进行控制器的设计，只考虑了氧匮乏现象，所以一般都将控制目标设定为OER 常数值作为避免氧匮乏的最小限制值，忽略了最优OER轨迹的存在，无法实现最大净输出功率。而且以上控制策略没有充分地考虑PEMFC系统在实际工作过程中受到不确定性以及外界干扰的影响，如忽略了由于环境变化和非线性特性所引起的系统参数摄动。因此所设计的控制器不具备较好的抗扰性和鲁棒性。H00控制技术能够较好地解决不确定性系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能等问题。H00 次优控制策略的存在条件是由2个Riccati代数方程和谱半径条件确定。线性矩阵不等式(LMI)方法可以克服上述求解Riccati方程中存在的诸多不足，通过给出问题可解的一个凸约束条件，使得从这个凸约束条件的任意一个可行解均可以得到一个控制器，而且LMI 方法仅需要满足基本假设条件即可进行求解。
发明内容
鉴于现有技术的以上不足，本发明旨在提供一种将H00次优输出反馈控制方法 (HSFC)与前馈控制方法(FFC)相结合的二自由度控制方法(2D0F)，在系统存在外界干扰、 不确定性以及环境噪声的情况下，提供合理的伺服控制行为，跟踪系统最优OER轨迹，减少系统寄生功耗，提高系统净输出功率。
本发明的目的通过如下手段来实现。—种基于最优过氧比的质子交换膜燃料电池系统二自由度控制方法，将H00次优输出反馈控制方法HSFC与前馈控制方法FFC相结合实现2D0F控制，A、基于PEMFC系统的最优OER分析定义OER为阴极入口供应的氧气质量流量Fffi, in与所消耗的氧气质量流量Fmret之比OER = -^ ；
^ O1,retBd00次优输出反馈控制方法HSFC，首先根据不同负载电流Ist条件下的最优0ER， 设计参考信号调节器，为HSFC提供空气压缩机的最优流量参考信号，通过将该最优流量参考信号与采集到的PEMFC系统入口实际空气流量比较，计算误差信号e(t)作为HSFC的反馈输入量；根据加权函数设计规则，设计频域加权函数Ws(s)、Wjs)和Wt(s)，与被控对象一起构成增广系统P(s)；再通过上分式变换，将Hj昆合灵敏度问题进一步转换为标准H00控制问题，求解H00次优控制问题，对次优控制器K (s)的输出控制量v。m,H进行求解；C、前馈控制方法FFC，利用被控变量v。m与Ist的函数关系可以设计出有效的FFC ； 采用实验测试的方法确定最优空气压缩机电压v。m,。p与Ist之间的函数关系，通过最优非线性关系图，确定如下形式的函数关系Vcfflj0p = ^(Ist)求解输出控制量v。m,。p;D、最后，将HSFC和FFC的输出控制量叠力口，实现2D0F控制，即将HSFC的输出控制量v。m,H和FFC的输出控制量^，㈤直接相加v。m = vCffl, H+vCffl,。p作为空气压缩机输入控制电压v。m控制压缩机实际工作以保证系统工作在系统的最大净输出功率Pnrt的同时避免进入氧匮乏区域。本发明方法基于最优OER的PEMFC系统2D0F方法，它能够提供合理了伺服控制行为，跟踪系统最优OER轨迹，减少系统寄生功耗，提高系统净输出功率。本发明通过控制器的双重功能处理被控变量，其中H00次优控制问题采用LMI方法求解，FFC采用基于范德蒙矩阵QR分解的多项式拟合技术进行设计。目前既有的控制方法是根据氧匮乏问题的动态模型进行了控制器设计，由于仅考虑了氧匮乏现象，将控制目标设定为OER常数值作为避免氧匮乏的最小限制值，忽略了最优OER轨迹的存在，无法实现最大净输出功率。而且单一的FFC由于其具有开环系统结构，对于暂态响应的影响控制效果较差。同时PEMFC系统在工作过程中会出现不确定性影响，如环境变化和非线性特性所引起的系统参数摄动等。本发明中H00控制技术能够较好地解决不确定性系统的鲁棒稳定性和鲁棒性能等问题，既充分利用了 FFC快速响应的优点，同时又克服了传统常值OER控制方法忽略鲁棒性问题的缺点ο
如下图1为不同负载电流下的系统净输出功率和OER的关系曲线图。图2为H j昆合灵敏度问题和标准H ^0控制问题结构图。图3为v。m,。p与Ist的函数关系拟合结果图。图4为PEMFC控制系统结构示意图。
图5为0ER。P与Ist的函数关系拟合结果图。图6a和图釙分别为灵敏度函数S(jw)与y『s4(jw)和互补灵敏度函数T(jw)与 yr^Gw)的奇异值曲线图。图7a为负载电流Ist在30s内从100A到230A的大范围内进行连续阶跃扰动变化曲线图。图7b为在第一种车辆运行仿真实验(标称条件)中的OER响应曲线。其中0ER。p 在2. 34至2. 13的响应范围内搜索最优轨迹。图7c为在第二种车辆运行仿真实验(不确定性条件)中的OER响应曲线。图7d为在第三种车辆运行仿真实验(环境噪声条件)中的OER响应曲线。图8为本发明方法的过程流程图。
具体实施例方式本发明的具体实施过程详述如下。图8为本发明方法的过程流程，建立PEMFC发电系统模型，计算不同运行条件下的系统最优0ER。在HSFC部分，首先根据不同Ist条件下的最优0ER，设计参考信号调节器，为 HSFC提供空气压缩机的最优流量参考信号。通过将该最优流量参考信号与采集到的PEMFC 系统入口实际空气流量比较，计算误差信号e(t)，将其作为HSFC的反馈输入量。根据加权函数设计规则，设计频域加权函数1(8)、WJs)和Wt(s)，与被控对象一起构成增广系统 P(s)。再通过上分式变换(Upper LFT)，将Hj昆合灵敏度问题进一步转换为标准H00控制问题。根据满足H00次优控制范数要求的LMI，将其视为特征值问题(EVP)，采用内点法对次优控制器K(S)进行求解。在FFC部分，采用基于范德蒙矩阵QR分解的多项式拟合技术建立^^与Ist的函数关系，实现Pnrt的最大化，进而设计基于负载电流Ist补偿的前馈控制器。 最后，将HSFC和FFC的输出控制量叠加，实现2D0F控制。其具体过程可由下展开叙述予以说明基于PEMFC系统的最优OER分析对于PEMFC系统，其净输出功率Pnrt是由PEMFC电堆输出功率和寄生功率(辅助设备消耗功率)决定，而寄生功率主要由空气压缩机产生，因此如何确定适当的空气流量对于最大化系统净输出功率极其重要。系统过氧比(OER)表明PEMFC系统的供氧状况，是衡量系统发电性能的主要指标。定义OER为阴极入口供应的氧气质量流量Fffi, in与所消耗的氧气质量流量Fmret之比OER=1^(1)
O1,ret为了使系统的净输出功率Pnet尽可能地提高，必须保证OER在最优值附近。一旦达到最优0ER，若再继续增加就会引起寄生功率增加，进而恶化系统净输出功率。H00次优输出反馈控制方法(HSFC)部分HSFC能够减小PEMFC系统受到外界扰动和不确定性所引起的暂态影响，如近似线性化和不可测量扰动等因素。在Hj昆合灵敏度问题中，频域函数1(8)、\^(8)和Wt(S)用来加权重要的性能信号，并与被控对象一起构成增广系统P(S)。通过上分式变换(Upper LFT)，可将Hj昆合灵敏度问题进一步转换为标准H00控制问题。H00次优控制问题就是寻求
真实有理函数控制器K(S)，使得《至ζ的闭环系统Wzw(S)稳定，且存在Y >0使其满足范数要求，即
权利要求
1.一种基于最优过氧比的质子交换膜燃料电池系统二自由度控制方法，将H00次优输出反馈控制方法HSFC与前馈控制方法FFC相结合实现2D0F控制，A、基于PEMFC系统的最优OER分析定义OER为阴极入口供应的氧气质量流量Fffi,in与所消耗的氧气质量流量之比
2.根据权利要求1所述基于最优过氧比的质子交换膜燃料电池系统二自由度控制方法，其特征在于，H00次优控制问题采用线性矩阵不等式LMI方法求解。
3.根据权利要求1所述基于最优过氧比的质子交换膜燃料电池系统二自由度控制方法，其特征在于，采用基于范德蒙矩阵QR分解的多项式拟合技术得到v。m,。p与Ist之间的函数关系。
全文摘要
本发明公开了一种基于最优过氧比(OER)的质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统二自由度控制方法(2DOF)，该控制方法是将H∞次优输出反馈控制方法(HSFC)与前馈控制方法(FFC)相结合，通过两种方法的双重功能处理被控变量，其中H∞次优控制问题采用线性矩阵不等式(LMI)方法求解，FFC采用基于范德蒙矩阵QR分解的多项式拟合技术进行设计。该控制方法能够在大负载电流突变、参数摄动、环境干扰噪声影响下，跟踪系统最优OER轨迹，减少系统寄生功耗，提高系统净输出功率，而且该方法鲁棒性好，伺服控制行为合理，保证了系统最优OER和最大净输出功率。
文档编号G05B13/02GK102520613SQ20111045344
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月30日 优先权日2011年12月30日
发明者冯肯, 刘述奎, 张瀚月, 李奇, 李艳昆, 游志宇, 焦哲, 王珂, 王砚帛, 田维民, 陈维荣, 陶诗涌 申请人:西南交通大学