[发明专利]一种固体氧化物燃料电池电压快速非线性预测控制方法

说明书

技术领域

本发明属于热工自动控制技术领域，具体涉及一种固体氧化物燃料电池输出电压的控制方法。

背景技术

在固体氧化物燃料电池(SOFC)的实际运行中，往往需要维持电压的稳定输出，然而外界负荷变化的扰动往往会造成负荷电流的变化，进而会对固体氧化物燃料电池的电压造成扰动，影响电压的稳定输出。一般来说，可通过控制进入固体氧化物燃料电池系统的燃料量来控制系统的电压输出，并克服负荷的扰动。

预测控制算法是使用过程模型来控制对象未来行为的一类计算机算法。在每个控制周期，利用预测模型和现有的历史数据，在线求解一个有限时域的开环最优控制问题，以得到所要实施的控制作用，其控制作用要优于普通PID控制器。

固体氧化物燃料电池具有较强的非线性，随着负荷的降低系统的非线性加强，系统稳定性降低，同时在实际运行过程中对燃料利用率有一定的限制，传统预测控制算法是基于线性模型，对于非线性较大的系统较难控制，同时普通预测控制算法的计算量大，很难实现在线实时控制。

发明内容

发明目的：针对上述技术现状，在满足固体氧化物燃料电池的燃料利用率限制的条件下，提出一种固体氧化物燃料电池电压快速非线性预测控制方法，解决常规预测控制算法计算量大，对非线性对象难以实现实时预测控制的问题。

技术方案：一种固体氧化物燃料电池电压快速非线性预测控制方法，包括如下步骤：

步骤1)，选择固体氧化物燃料电池系统的n个工况点，n为4～6的自然数；采用基于阶跃响应的模型辨识方法，分别获得固体氧化物燃料电池系统在n个负荷工况下的燃料量-输出电压的传递函数模型G_j(s)：其中，s为复数变量，j＝1，2，…，n；

步骤2)，根据预测控制系统的采样周期T，对所述步骤1)得到的n个传递函数模型G_j(s)进行离散化，得到对应的离散模型参数多项式为：选择步骤1)中辨识所得传递函数模型G_j(s)中对象惯性最大的模型对应的参数多项式A_j(z^-1)作为预测控制系统中被控对象离散模型的全局模型参数多项式A(z^-1)；

其中，z^-1为后移算子，n_a，n_b分别为多项式A_j(z^-1)，B_j(z^-1)的阶次；a_ji为多项式A_j(z^-1)的系数，i＝1…n_a；b_ji为多项式B_j(z^-1)的系数，i＝0…n_b；j＝1，2，…，n；

步骤3)，根据所述步骤2)得到的多项式B_j(z^-1)和对应的固体氧化物燃料电池系统负荷电流I_j，使用Matlab的曲线拟合工具箱CFtool，拟合得到固体氧化物燃料电池对象离散模型多项式B(z^-1)中参数b_i与固体氧化物燃料电池系统对应负荷电流I间的数学关系：式中k_i，p_i，q_i为辨识模型参数，其中B(z^-1)为一般负荷下固体氧化物燃料电池系统对应的离散模型多项式，b_i为B(z^-1)中对应的参数，i＝0…n_b；

步骤4)，根据固体氧化物燃料电池系统特性的纯延迟时间选择预测控制的预测时域N，使得N·T大于固体氧化物燃料电池系统纯延迟时间；预测控制的控制时域N_u取为1，其中，T为预测控制系统的采样周期；