[发明专利]基于多模型前馈的燃料电池阳极压力动态矩阵控制方法

说明书

本发明公开了一种基于多模型前馈的燃料电池阳极压力动态矩阵控制方法，将质子交换膜燃料电池看作三入一出的多变量对象，其中对象输入包括一路控制量和两路扰动量，在不同稳态工况点辨识输出量对控制量和扰动量的阶跃响应模型，在控制中根据燃料电池的实际运行工况切换用于计算控制增量的辨识模型和相应的DMC控制器，保证控制量输出的最优性。本发明方法相比于传统预测控制，可适用更广的工况范围，模型切换时扰动小。此外，本发明方法还能有效抑制排气阀位和负载电流扰动的影响，控制阳极压力跟踪设定值，降低质子交换膜上的压差应力，延长质子交换膜的使用寿命，保证燃料电池高效、稳定、安全运行。

技术领域

本发明涉及新能源自动控制技术，特别是涉及基于多模型前馈的燃料电池阳极压力动态矩阵控制方法。

背景技术

随着环境保护和可持续发展的要求不断提高，传统火力发电技术由于其效率受卡诺循环限制，且SO_x和NO_x等副产物会造成环境问题，但受制于高能源需求，发展清洁能源技术作为补充是有效途径。质子交换膜燃料电池技术通过电化学反应，直接将燃料中的化学能转化为电能，具有能源转换效率高、能量密度高、无污染排放、运行噪音小且温度低的特点，适于进行商业化推广。大多数质子交换膜燃料电池采用封闭阳极的运行方式，提高了燃料利用率但需要定期进行阳极排气。燃料电池在运行中会受到多种扰动，包括排气扰动和负载扰动等，会影响阴、阳极流道的压力平衡，质子交换膜长时间受到因压差而产生的应力时，会影响燃料电池的使用寿命。为保证燃料电池高效、稳定、安全运行，阳极压力控制系统的介入十分必要。

目前国内外学者针对燃料电池控制问题的研究主要集中在能量管理和湿度控制方面，对于阳极压力的优化控制仍有不足。目前，针对存在排气阀位和负载电流扰动的情形，有学者使用模型预测控制(MPC)对阳极压力进行控制，取得了一定效果。然而由于MPC是基于模型的预测控制方法，其控制效果取决于控制模型精度，当被控对象动态特性较复杂时，控制模型的建立要求大量的先验知识，且不论机理建模或数据辨识的难度均较大。同时，MPC控制策略的控制器参数往往是预先设定，投入运行后不再调整。对于质子交换膜燃料电池，排气阀位发生变化时，阳极压力的动态特性也相应发生改变，固定参数控制器的效果将发生恶化，甚至使系统产生振荡。

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多模型前馈的燃料电池阳极压力动态矩阵控制方法。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的基于多模型前馈的燃料电池阳极压力动态矩阵控制方法，包括以下步骤：

S1：以阳极入流气体质量流量为控制量输入，以排气阀位和负载电流为两路扰动量输入，以阳极压力为被控量输出，在不同的稳态工况下进行开环阶跃响应试验，获得被控对象在不同工况下的辨识模型；

S2：针对每一个工况，初始化多模型前馈动态矩阵控制器，设定预测参数，包括：采样周期T，建模时域N，预测时域P，控制时域M，在建模时域内输出量对控制量和扰动量的阶跃响应序列，误差权矩阵Q，控制权矩阵R，误差校正矩阵h；设定约束参数，包括：控制增量约束Δu_max、Δu_min，控制量约束u_max、u_min，输出量约束y_max、y_min；其中，Δu_max为控制增量的最大值，Δu_min为控制增量的最小值，u_max为控制量的最大值，u_min为控制量的最小值，y_max为输出量的最大值，y_min为输出量的最小值；

S3：根据辨识模型中的参数，针对每一个工况分别构建预测模型，并对控制量、输出量进行初始化；